直播在荒野手搓核聚變 第四百一十六章:軌道雜化-石墨烯帶隙問題

用于光蝕碳基芯片的光刻機(jī)組裝完成，需要的基礎(chǔ)材料也都有了，接下來要做什么自然不言而喻。

直播間里面的絕大部分觀眾對后面的事情都很期待，希冀著碳基芯片的到來。

至于為什么說是絕大部分而不是全部，那自然是群眾間有壞人啊。

模擬空間內(nèi)，韓元在高標(biāo)準(zhǔn)的凈潔無塵化學(xué)實驗室中處理著制造碳基芯片用的石墨烯單晶晶圓材料。

有了石墨烯單晶晶圓材料并不代表著碳基芯片就十拿九穩(wěn)了。

超高純度的石墨烯單晶晶圓只是制造碳基芯片的最基礎(chǔ)材料，除此之外,還有碳納米管、高純度碳化硅晶材這些都是需要附屬上去的。

就像硅基芯片的單晶硅一樣，石墨烯單晶雖然性能優(yōu)異，但因為本書屬于單晶級材料，也是需要進(jìn)行摻雜其他離子材料進(jìn)行制造相應(yīng)的P、N類半導(dǎo)體。

這一步無論是在硅基芯片上還是碳基芯片上都必不可免。

當(dāng)然，給石墨烯單晶晶圓進(jìn)行摻雜的手法和摻雜的離子材料和單晶硅肯定是不同的。

碳和硅，這兩種材料都屬于碳族元素,而且兩者最外層都有四個電子，兩元素有著非常相似價層電子組態(tài)，區(qū)別在于內(nèi)核的質(zhì)子數(shù)與外層電子數(shù)不同。

碳的核內(nèi)有6個質(zhì)子,硅的核內(nèi)有14個質(zhì)子。

碳的電子數(shù)目是6個，分兩層，里層2個，外層4個。

而硅的電子數(shù)目是14個，分三層，里層2個，中間層8個，外層4個。

質(zhì)子和電子數(shù)目不同，這導(dǎo)致了它們的成鍵性質(zhì)不同，也導(dǎo)致了它們在面對不同材料時成鍵軌道、性質(zhì)以及對應(yīng)的鍵能量級不同。

用一句比較容易理解的話來說，那就是碳原子在對面各種其他原子的時候，能形成比硅更加穩(wěn)化合物。

碳原子與碳原子之間、碳原子和其他原子之間形成共價鍵，鍵能大，化合物較穩(wěn)定，所以在自然界能形成種類繁多的化合物。

這也是為什么在地球上，明明是硅在地殼中含量僅次于氧,遠(yuǎn)比碳多,但自然界中硅元素的化合物種類卻沒有碳元素的化合物種類多原因。

因為硅的化合物沒有碳的穩(wěn)定。

而這點，其實是可以應(yīng)用到碳基芯片的制造上面的，

應(yīng)用碳的化合物來制造相應(yīng)的P、N類半導(dǎo)體，其理論基礎(chǔ)是‘軌道雜化理論’。

解決的問題是石墨烯單晶材料的‘帶隙’問題。

石墨烯單晶材料的帶隙缺乏，限制了石墨烯在邏輯電路中的應(yīng)用。

相當(dāng)于家里的電燈沒有開關(guān)一樣，一直常亮。

‘軌道雜化理論’是在1931年的時候由米國的化學(xué)家鮑林在原子的價鍵理論的基礎(chǔ)上提出的，它屬于現(xiàn)代價鍵理論。

但是它在成鍵能力、分子的空間構(gòu)型等方面豐富和發(fā)展了現(xiàn)代價鍵理論。

所謂的軌道雜化，簡而言之，就是指在形成分子時，由于原子的相互影響，若干不同類型能量相近的原子軌道混合起來，重新組合成一組新軌道。

這種軌道重新組合的過程叫雜化，所形成的新軌道就稱為雜化軌道。

通過雜化軌道理論形成分子時，一般的材料都會存在激發(fā)、雜化和軌道重疊等過程。

比如ch4分子的形成過程：碳原子2s軌道中1個電子吸收能量躍遷到2p空軌道上，這個過程稱為激發(fā)。

但這個時候各個軌道的能量并不完全相同，于是1個2s軌道和3個2p軌道“混合”起來，形成能量相等、成分相同的4個sp3雜化軌道

然后4個sp3雜化軌道上的電子間相互排斥，使四個雜化軌道指向空間距離最遠(yuǎn)的正四面體的四個頂點，碳原子的4個sp3雜化軌道分別與4個h原子的1s軌道形成4個相同的σ鍵,從而形成ch4分子。

由于四個ch鍵完全相同,所以形成的ch4分子為正四面體，鍵角109o28＇。

而之所以要這樣做，好處在于雜化軌道形成的化學(xué)鍵的強(qiáng)度更大，體系的能量更低，可以更進(jìn)一步的提高材料的穩(wěn)定性。

這種手段應(yīng)用在石墨烯單晶晶圓材料上，能極為有效的穩(wěn)定晶圓的性能，彌補(bǔ)石墨烯材料的缺點。

眾所周知，石墨烯材料優(yōu)點很多，比如在非常薄的情況下具有非常硬的屬性，韌性極高，導(dǎo)電性好等等。

因此它的用途極多，也非常廣泛。

從光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，再到材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面都具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前進(jìn)。

但優(yōu)異的性能背后自然有著缺點。

除了大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯非常困難且昂貴外，墨烯與氧氣和熱量具有很高的反應(yīng)性。

由于石墨烯具有良好的導(dǎo)熱性能，但其本身并不那么穩(wěn)定，盡管后面科學(xué)家找了使用CVD這種可以生產(chǎn)大量的石墨烯方法。

但是無法在有氧環(huán)境中穩(wěn)定存在是石墨烯巨大的缺點，包括韓元制備成的石墨烯單晶晶圓材料。

如果它在高溫下與氧氣反應(yīng)，會導(dǎo)致生成氧化石墨烯，該氧化石墨烯會破壞石墨烯本身的性能，直至失去導(dǎo)電性能。

這對于石墨烯材料來說，可以說是一個致命的缺點了。

畢竟如果使用石墨烯制造成碳基芯片的話，不可能不商業(yè)化應(yīng)用。

而商業(yè)化應(yīng)用，你不可能給每一塊芯片都配備一個無氧環(huán)境或者真空環(huán)境。

且不說需要耗費的金錢和資源，就對環(huán)境要求度極高的芯片這一塊來說，那根本就不實用。

針對這個缺點，各國的專家都在尋找彌補(bǔ)的辦法，但迄今為止，依然沒有什么穩(wěn)定有效的彌補(bǔ)方式。

而通過軌道雜化技術(shù)，可以有效的彌補(bǔ)這個缺點。

因為雜化后的電子軌道與原來相比在角度分布上更加集中，從而使它在與其他原子的原子軌道成鍵時重疊的程度更大，形成的共價鍵更加牢固。

這樣一來，通過雜化軌道技術(shù)處理后的石墨烯材料將不再懼怕有氧和高溫的環(huán)境。

當(dāng)然，雜化軌道技術(shù)也不是沒有缺點的。

首先，在1931年提出軌道雜化理論后，這項理論和技術(shù)過來接近一百年依舊沒有完全成熟。

盡管目前的雜化軌道技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了各種分子化合物上，甚至已經(jīng)編寫到了初高中化學(xué)教材中。

但不可否認(rèn)的是，無論是理論還是技術(shù)，都沒有形成自己的閉環(huán)。

目前各國研究中的雜化軌道中還只用了能量最接近的價層軌道，比如有機(jī)物中的C原子只用它的2s和2p。

可是單純用兩三個軌道根本不滿足軌道雜化完備基的要求。

華國是目前在碳基芯片上走的最遠(yuǎn)的國家，相關(guān)的研究人員也并不是沒有考慮過使用‘雜化軌道技術(shù)’來給碳基芯片提升穩(wěn)定性。

但很遺憾的是，這項技術(shù)在國內(nèi)甚至在整個世界目前都并不被重視，精通這方面的人極其稀少。

盡管這項技術(shù)誕生了兩個諾貝爾化學(xué)獎，但依舊屬于冷門專業(yè)。

這可能是諾貝爾獎大喊冤枉的兩次吧，畢竟獲得了諾貝爾獎的專業(yè)，基本上在后續(xù)的一些年內(nèi)都會引起全世界的關(guān)注和投資。

但軌道雜化理論并沒有，在2010年以前，全世界開設(shè)這門專業(yè)的學(xué)校很少。

少到一個什么程度呢？

大概就是你學(xué)了這門專業(yè)，然后走到博士階段的話，你的導(dǎo)師可能就是諾獎大佬或者說是諾獎大佬的弟子了。

嗯，大概就人才稀缺到這個程度了。

不過后面隨著重要性的提升，軌道雜化這門課程已經(jīng)廣泛起來了，甚至有些專業(yè)，比如分子化學(xué)，理論化學(xué)還將其設(shè)成了必修課。

不過學(xué)這玩意的人，還是很少。

不過這也不能怪軌道雜化理論，因為這玩意學(xué)起來實在太難了。

初高中階段還好，著實很簡單，只要掌握了VSEPR、泡利不相容原理、洪特規(guī)則這幾個，會寫1s2s2p、三種晶胞就夠了。

但到了大學(xué)階段，這玩意的難度性質(zhì)就像要一個文科生弄懂實變函數(shù)泛函分析拓?fù)鋵W(xué)抽象代數(shù)一樣。

簡直讓人絕望。

都說數(shù)學(xué)物理讓人掉頭發(fā)，讓人地中海，但你想學(xué)懂這玩意，掉頭發(fā)的速度比你去少林出家還要快。

再加軌道雜化理論不明，目前在學(xué)術(shù)界幾乎是僅僅用來描述幾何形狀或環(huán)境，找工作太難，所以學(xué)的人幾乎沒什么。

除此之外，過分地強(qiáng)調(diào)雜化的其他“重要性”，還有一定的可能會對未來學(xué)習(xí)化學(xué)造成不必要的“彎路”。

因此即便是學(xué)習(xí)化學(xué)的人，也很少有輔修軌道雜化理論的。

學(xué)習(xí)的人少，理論未成熟閉環(huán)這是第一點。

第二點則是在第一點下面衍生出來的。

通過軌道雜化技術(shù)，只有在形成分子的過程中，中心原子能量相近的原子軌道才能進(jìn)行雜化，孤立的原子不可能發(fā)生雜化。

這一點就限制了軌道雜化技術(shù)。

要知道在各種化學(xué)實驗中，有時候需要用到的元素在中心原子能量方面有著極大差異的。

可以說一個在天一個在地也不過分。

這樣一來，軌道雜化技術(shù)的應(yīng)用就被限制住了。

雖有缺點，但軌道雜化技術(shù)的價值還是很高的。

這個點，韓元比各國更加清楚。

因為碳基芯片技術(shù)的原因，他從頭到底將軌道雜化理論學(xué)習(xí)了一遍。

雖然在學(xué)習(xí)的過程中挺痛苦的，但學(xué)完之后，韓元才知道這門技術(shù)不僅僅是應(yīng)用在碳基芯片的制備上。

而是在非理論化學(xué)界以及高分子化學(xué)界有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用市場。

聽到韓元的解說，直播間里面的觀眾是一臉懵逼，大眼瞪小眼的。

軌道雜化技術(shù)？軌道雜化理論？這是什么東東？

草！我大學(xué)學(xué)的就是這玩意，一學(xué)就是四年，我現(xiàn)在大四，任然沒有弄懂這東西，已經(jīng)補(bǔ)考兩次了。

樓上這么巧？我也學(xué)了這個，造孽啊，救救孩子吧。

本人高二、馬上要參加IPHO化學(xué)省賽了，目前正在瘋狂補(bǔ)這玩意，頭已禿。

這玩意高中老師都不講，說略難，說大學(xué)有機(jī)肯定講，然后你上了大學(xué)，老師一問，這個都知道吧，知道我就不講了。你想反駁，奈何你有一群知識全面的同學(xué)，人聲淹沒，于是就跳了，于是你懵了，于是奠定了掛科基礎(chǔ)。

都在說這個，我想問一下，這玩意到底是什么啊，哭了，我高中大學(xué)都沒學(xué)過啊。

僅上過初中的我一臉懵逼。

一個蛐蛐軌道雜化都不懂，這直播間不是人均博士后嗎？

樓上你再罵？

關(guān)于雜化理論，我說幾點

哈爾濱理工大學(xué)化學(xué)老師溫馨提醒各位同學(xué)，不要以為高中學(xué)不會雜化理論就算了，大學(xué)你也是逃不掉的，該來的總會來。

呵，我大學(xué)不報這玩意不就行了。

樓上別做夢了，這玩意只要你報考化學(xué)專業(yè)就是必修，甚至跟石墨烯有關(guān)的專業(yè)都是必修。

別說普通觀眾了，就連蹲守在直播間里面學(xué)習(xí)的專家和各國的科研人員都有些懵逼，有些摸不著頭腦。

軌道雜化技術(shù)和理論他們知道，但對于軌道雜化技術(shù)這門理論課程來說也僅限于是知道的程度。

就像普通人了解華國有‘東風(fēng)系列’的導(dǎo)彈快遞一樣，僅限于這個。

當(dāng)然，如果正好是化學(xué)方面，但并非軌道雜化理論專業(yè)的專家會知道這枚‘東風(fēng)快遞’的爆炸威力，半徑，殺傷力，有效打擊半徑這些更詳細(xì)一些的東西。

但對于如何制造一枚‘東風(fēng)快遞’，是不清楚的。

雖然近些年很多大學(xué)都開設(shè)了軌道雜化理論專業(yè)，也有一些人去學(xué)習(xí)這方面的東西了，但頂級人才的出現(xiàn)，是需要時間來進(jìn)行堆積的。

而一個才開設(shè)不久的專業(yè)，別說出現(xiàn)頂級人才了，很多人畢沒畢業(yè)都是一個問題。

大學(xué)四年，研究生三年，博士有些是三年，有些是四年，光是學(xué)習(xí)都需要十年以上的時間。

而就華國來說，大部分的大學(xué)開設(shè)這門專業(yè)，基本都是在10年以后的。

到現(xiàn)在，很多學(xué)生都還沒畢業(yè)，哪里來的頂級人才。