新一代石墨烯存储器终将替代闪存存储器

　　石墨烯是一种二维晶体，的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”（electric charge carrier），的性质和相对论性的中微子非常相似。

　　人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

　　石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。其完美的晶格结构，常被误认为很僵硬，但事实并非如此。石墨烯各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。这样，碳原子就不需要重新排列来适应外力，这也就保证了石墨烯结构的稳定，使得石墨烯比金刚石还坚硬，同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。这种稳定的晶格结构还使石墨烯具有的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于其原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。

　　石墨烯被证实是世界上已经发现的薄、坚硬的物质。美国哥伦比亚大学James Hone等人近发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上的钢铁还要高上１００倍。这种物质为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门，让科学家梦寐以求的２。３万英里长（约合３７０００千米）太空电梯可能成为现实。其厚度只有0.335纳米，把2000片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。单层石墨烯几乎透明，其分子排列紧密，即使原子尺寸的氦也不能通过。美国机械工程师杰弗雷·基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。 　　石墨烯的另一特性是，其导电电子不仅能在晶格中无障碍地移动，而且速度极快，远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度。还有，其导热性超过现有一切已知物质。石墨烯的上述特性非常有利于超薄柔性OLED显示器的开发。据了解，韩国三星公司的研究人员已经制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。

　　为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质，须先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些了解。

　　经典物理学中，一个能量较低的电子遇到势垒的时候，如果能量不足以让它爬升到势垒的顶端，那它就只能待在这一侧；在量子力学中，电子在某种程度上是可以看作是分布在空间各处的波。当它遇到势垒的时候，有可能以某种方式穿透过去，这种可能性是零到一之间的一个数；而当石墨烯中电子波以极快的速度运动到势垒前时，就需要用量子电动力学来解释。量子电动力学作出了一个更加令人吃惊的预言：电子波能百分百地出现在势垒的另一侧。

　　以下实验证实了量子电动力学的预言：事先在一片石墨烯晶体上人为施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。一般认为，增加了额外的势垒，电阻也会随之增加，但事实并非如此，因为所有的粒子都发生了量子隧道效应，通过率达100%。这也解释了石墨烯的超强导电性：相对论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。

　　总结一下特性：　基于它的化学结构，石墨烯具有许多独特的物理化学性质，如高比表面积、高导电性、机械强度高、易于修饰及大规模生产等。

　　Rice大学研究人员正在着手研究一类存储单元密度至少为闪存两倍的石墨烯片状存储器。

　　石墨烯（Graphene）是由没有卷成纳米管的纯炭原子薄膜构成，在此之前石墨烯已被用于IBM的超快速晶体管原型产品及其它领域。此次，由Rice大学教授James Tour领头的科研小组首次将石墨烯用于架构更简单的双端存储器件。

　　与晶体管这类三端器件不同，“我们（所研发）的石墨烯存储器单元仅有两个端子，”Tour表示，“通过在存储单元两端加不同电压就可以完成对存储单元的读/写或删除。”

　　在实验过程中，通过加3.5V的电压来断开石墨烯片之间的连接通道可清空存储内容。一个1V的信号允许电路将控制存储单元，决定其处在‘导通’或‘闭合’状态。

　　目前尚不知这一操作的确切机理，但Tour的猜测是由擦除电压所导致的机械开路场会由写信号修复。

　　实验中所用存储器件为厚度仅为5~10个原子的沉积薄膜，数据位单元仅为5纳米。Tour表示，因为石墨烯片不必保持连续的状态，因此位单元的尺寸将几乎完全取决于能将其引线做到多细。由于石墨烯片存储器仅有两个端子，可将其置于尺寸极小的交叉开关之间。

　　Tour 表示，“我们通过化学气相沉积法得到石墨烯片，但是不一定非要形成完美的单层，甚至可以断开的，因为断开的状态似乎并不影响它工作。这是一种非常非常宽容的处理工艺。”

　　其它非易失性存储技术的闭合-断开电流比只能达到100~1甚至10~1，而采用石墨烯片能将闭合-断开电流比做到10,000 ~1000，000~1，这样石墨烯片存储器的位单元可紧凑地放置在一起并且能将导致存储器发热的漏电流做到非常小。在以后元器件中，低功率操作和双端子结构同时还被引入三维结构。

　　早期的超密集密度非易失性存储器由NASA提供研发基金，但Tour所领导的研发小组现已获得了某个未透露名字的半导体制造商为其提供的资金支持，用于今后进一步研发。

　　石墨烯可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长，而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带，食品包装甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管，因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极，使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。