第四百一十七章：碳基芯片的离子掺杂

    轨道杂化理论的出现，让各国都动起来了。
    相关专业甚至是理论化学、分子化学这些必修轨道杂化课程的人才被紧急召集，参与到这个直播中来进行学习。
    这个被认为最少还需要十年甚至是二十年才能完善的理论现在就要用到是谁都没有想到的。
    不过按照正常的发展，其实各国的预测并没有太大的问题。
    韩元是深入学习过轨道杂化理论的，他知道这门课程中相关知识含量的多少以及学习起来的难度。
    毫不夸张的说，如果是他在没有得到这个系统之前去学习这门课程的话，100分的试卷, 他都拿不到十分。
    学这玩意，就跟学数学一样。
    全靠天赋，会就是会，不会就是不会。
    尽管这东西是有机化学的基础，甚至是化学的基础理论之一，但实际上这东西属于前期容易，后期极难的科目。
    而且如果仅仅是用来打基础的话, 要学的东西并不难。
    不过越过基础后, 需要学习的东西难度就上了N个档次。
    不仅需要数学基础，还需要物理基础。
    而且随着晶体场、配位场、分子轨道和前线分子轨道这些和轨道杂化有关的理论提出，一个深入学习轨道杂化技术的学者需要的学习的东西是其他化学课程的数倍以上。
    .......
    实验室中，韩元一边处理着手中的石墨烯单晶晶圆，一边讲解着通过‘轨道杂化技术’进行N/P极掺杂的注意事项。
    “石墨烯单晶材料制成的晶圆在处理手段上和单晶硅晶圆类似，都是通过离子注入手段往里面掺入对应的离子来制造不同的N/P极，进而改变搀杂区的导电方式，使每個晶体管可以通、断、或携带数据。”
    “当然，两者进行掺杂时，使用的离子是不同的。”
    “硅基芯片在进行离子掺杂时，常见的是磷和硼这两种离子，当然也有镓、砷、铝和其它一些元素。”
    “这需要根据芯片的不同用途，甚至蚀刻的电路图不同来进行选择。”
    “而碳基芯片使用的掺杂离子则非上述这些，它使用的是一种金属离子。”
    韩元顿了顿，看了眼摄像头吊了一下观众胃口，然后才接着道：
    “碳基芯片使用的掺杂离子是‘金属银离子’以及‘硅离子’。”
    银和硅？
    直播间里面蹲守学习的各国专家在听到韩元的话语后一愣，随即立刻思索起来。
    银和硅这里两种材料都是非常常见的，硅就不用多说, 它本身就是制造硅基芯片以及各种硅半导体的基础原材料。
    至于银, 除了生活中常见于各种首饰和装饰品外，它更大的用途其实是工业。
    银的物理和化学性质都相当稳定，导热、导电性能很好，质地相当柔软，极具延展性，其反光率极高，可达99%以上，有许多重要用途。
    比如银常用来制作灵敏度极高的物理仪器元件，各种自动化装置、火箭、潜水艇、计算机、核装置以及通讯系统。
    所有这些设备中的大量的接触点都是用银制作的。
    在使用期间，每个接触点要工作上百万次，必须耐磨且性能可靠，能承受严格的工作要求。
    而银完全能满足种种要求。
    如果在银中加入稀土元素，性能就更加优良。用这种加稀土元素的银制作的接触点，寿命可以延长好几倍。
    除此之外，在感光材料，化学化工材料、杀菌材料等方面也都有相当广泛的用途。
    比如摄影胶卷、相纸、X-光胶片、荧光信息记录片、电子显微镜照相软片和印刷胶片就应用了大量的氯化银。
    这是种性能相当优异的材料。
    而随着韩元的解释，各国的专家也恍然明白为什么石墨烯单晶晶圆中要使用银离子来进行掺杂。
    原因有两个。
    第一个是银离子在通过离子注入手段渗入到石墨烯单晶晶圆里面后, 会掺杂在碳晶格里面, 进而提升搀杂区的导电方式。
    就如硅基芯片中进行掺杂磷、硼这些离子一样。
    原理一样, 只不过的是, 石墨烯单晶材料的性质和单晶硅晶圆的性质完全不同。
    第二个也是更重要一个是，单质银离子在通过离子注入机注入到石墨烯单晶材料里面后，通过特定的条件，会形成碳化银离子。
    在正常情况下，银是不会和碳反应的，即便是反应了，也会生成银化碳，化学表达式为Ag2C2。
    也就是说碳原子和银原子并不是直接结合的，或者说，此时这两种元素甚至都没有以标准的原子形式存在，更接近于一种离子化合物。
    这种银碳形成的离子化合物，除了用来制造银碳复合材料水溶液制备电化学电容外，并没有太大的用途。
    除了Ag2C2（碳化银）外，还有一种碳纳米管—银复合纳米材料，但那并不是发化合物，甚至都不是离子化合结构，仅仅是人工加工出来的物品，对于石墨烯单晶晶圆的加工并没有什么意义。
    这次韩元使用银离子来给石墨烯单晶晶圆进行离子掺杂，其整个过程中使用了轨道杂化技术。
    通过计算，可以在一定的温度、压强以及其辅助催化材料的作用下，银离子会和石墨烯单晶中的一部分碳原子进行杂化。
    在这个过程中，碳原子可以利用它的s轨道和p轨道通过杂化作用和银离子形成σ键。
    除此之外，碳原子还能利用剩余的p轨道进行互相叠加，通过Pπ-Pπ相互作用形成多重键。
    在σ键以及Pπ-Pπ相互作用形成多重键的作用下，形成碳银杂化轨道离子会与其他未参与作用的碳原子牢牢结合，稳定石墨烯单晶晶圆，为石墨烯单晶晶圆提供一定性能的耐热能力，以及加强石墨烯单晶材料的导电性能。
    这就是银离子注入后的基本用途。
    至于硅离子的用途，那就更简单了。
    如果说银离子的注入，一部分作用可以理解为将高速公路修的更宽敞更平稳，让电子在上面奔跑更加安全的话；那么硅离子的注入，就是给这条高速公路修了收费站。
    它控制着电子这辆车该去哪里，不该去哪里。
    别忘记了石墨烯单晶材料虽然优秀，但它本身是有一个致命缺点的。
    那就是石墨烯的带隙问题。
    这个问题对于碳基芯片来说可是超级致命级别的缺点。
    就好像全国的高速公路没有出入口，没有收费站一样，所有的汽车（电子）会在上面到处乱串。
    高纯度的碳化硅晶材本身就是一种性能相当优异的半导体材料。
    而硅离子注入到石墨烯单晶材料中后，会与里面的碳原子形成稳定的碳化硅结构。
    和掺杂银离子一样，通过特殊手段，碳原子可以利用它的s轨道和p轨道通过杂化作用和硅离子形成σ键，也能在Pπ-Pπ相互作用形成多重键，起到稳定石墨烯单晶晶圆的作用。
    除此之外，硅离子因为本身电子的特性，它除了碳原子具备的s轨道和p轨道外，还多出来一个d轨道。
    被离子注入进石墨烯材料中的硅离子中的d轨道会参与成键，除了形成对应的sp3d和sp3d2等额外的杂化轨道外，还会增强Pπ-Pπ相互作用形成多重键的稳定性。
    这样一来，经过了银离子和硅离子两次掺杂的石墨烯单晶晶圆会在稳定上再上一层楼。
    最终制造出来的碳基芯片不仅能耐高温，而且即便是遭受到了强电流的冲击也不会轻易损坏。
    避免了意外或者黑客的破坏，其性能比起硅基芯片更强悍。
    ......
    韩元的讲解，让直播间里面的观众明白了碳基芯片在制造流程上与硅基芯片的差别。
    也让各国的专家将目光再一次聚集到‘轨道杂化理论’上来。
    这一个即基础又高深的化学理论知识受到了所有国家的关注。
    从这名主播的讲解中可以知道，‘轨道杂化理论’远不止它现在表现出来的那么简单。
    尽管时至今日，轨道杂化理论仅被用来描述几何形状或环境。
    但后续如果发展的话，它除了可以用来解释原子轨道的杂化外，还能通过计算，来在分子化学、高分子化学、理论化学这些专业上发挥巨大的作用。
    这让各国都对其重视起来。
    尽管目前‘轨道杂化理论’的高级部分还没有完善闭环，但重视程度代表了对应资金、人力、物力等各方面的投入。
    相信在不久的将来，这门原本颇为冷门的专业就会焕发出磅礴的生机。
    而韩元的目的也正是如此。
    一个文明能否走远，依赖的是无数人共同的努力，而不是一个人的力量。
    哪怕是他这样开了挂的存在，也不可能方方面面每一个科技分支都带着跑。
    那样明显是不现实的事情。
    所以碳基芯片使用的‘轨道杂化理论’只是一个引子。
    它引出来轨道杂化技术和相关轨道知识，但各国开始研究和发展这么门理论和技术的时候，自然而然的就能将其延伸扩展到其他方面的应用上去。
    韩元手中并不是没有碳基芯片的其他制备方法。
    ‘碳基集成电路板制备信息’中有十数种不同的碳基芯片制取方法。
    别说石墨烯这种理论基础材料制备了。
    就是碳纳米管、碳纳米球这些粉末级的碳纳米材料都有可以用来进行制造碳基芯片。
    其中有些在性能方面还要超出石墨烯单晶晶圆制备的碳基芯片，但韩元依旧选择了这个。
    主要原因就是石墨烯单晶晶圆引出来了‘轨道杂化理论’。
    而引出来的‘轨道杂化理论’能在一定程度上加强各国的化学学识。
    当然，还有一个原因就是华国在石墨烯单晶晶圆这条路上走的最远，最方便华国接收。
    人嘛，都是有私心的，韩元也不例外。
    虽然现在他的目标已经转换，但这并不代表就要平等对待各国。
    科学无国界，但科学家是有国界的。
    .......
    模拟空间，化学实验室中，韩元已经完成了对石墨烯单晶晶圆的处理。
    下一步是对其进行光蚀。
    也就是所谓的光刻机加工。
    离子注入不在这一步，离子注入需要在光刻机加工完后才能进行处理。
    如果使用光刻机进行加工碳基芯片的话，其步骤和加工硅基芯片是一样的。
    第一步是制造晶圆，硅基芯片的晶圆材料是单晶硅，碳基芯片的是石墨烯单晶。
    当然，除了石墨烯单晶外，碳基芯片还可以使用碳纳米管、碳纳米球这些碳纳米材料的制备的。
    这并不冲突。
    ......
    晶圆制造完成，纯度等条件符合要求后第二步就是对进行涂膜。
    这一步其实就是保存晶圆的步骤。
    毕竟无论是碳基芯片还是硅基芯片，其晶圆材料被制造出来后都不会马上就使用。
    在现实中，AMSL公司是制造芯片的超级厂商之一，但它的晶圆材料是来自进口的。
    其主要来源就是小岛国。
    从小岛国进口的超高精度的单晶硅晶圆从生产到切片到运输，都需要一段漫长的时间。
    即便是制造出来晶圆，等到加工时再临时切片，也避免不了氧化作用。
    所以就要对晶圆涂膜，让其能抵抗氧化以及耐温能力。
    至于使用的材料，是为光阻材料中的一种，他之前保存石墨烯晶圆材料时，使用的就是一种避光树脂。
    第三步是光刻机加工。
    通过给晶圆涂上对紫外光敏感的化学物质，也就是光刻胶，通过控制遮光物的位置就可以得到芯片的外形。
    然后再进行显影操作，通过溶剂去掉没有被照射或者被照射的部分，就可以得到刻蚀了电路图的芯片了。
    而这一步结束后，才能进行第四步：搀加杂质，也就是所谓的离子注入。
    将光蚀完成后的晶圆放入特定的化学离子混合液中，可以改变搀杂区的导电方式。
    有些简单的芯片可以只用一层晶圆，但复杂的芯片，比如手机或电脑上用的CPU都有很多层。
    所以在制造复杂芯片时需要将这一流程不断的重复，然后在不同层开启一个或者多个窗口将其联接起来。
    第四步完成后，就宣告一块芯片大致完成了。
    接下里的就是对其进行测试、封装，然后再进行封装测试，包装。
    剩下的就是将其售出，变成红彤彤的钞票了。

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