第416章 碳基晶片的離子摻雜
第416章 碳基晶片的離子摻雜
軌道雜化理論的出現，讓各國都動起來了。
相關專業甚至是理論化學、分子化學這些必修軌道雜化課程的人才被緊急召集，參與到這個直播中來進行學習。
這個被認為最少還需要十年甚至是二十年才能完善的理論現在就要用到是誰都沒有想到的。
不過按照正常的發展，其實各國的預測並沒有太大的問題。
韓元是深入學習過軌道雜化理論的，他知道這門課程中相關知識含量的多少以及學習起來的難度。
毫不誇張的說，如果是他在沒有得到這個系統之前去學習這門課程的話，100分的試卷，他都拿不到十分。
學這玩意，就跟學數學一樣。
全靠天賦，會就是會，不會就是不會。
儘管這東西是有機化學的基礎，甚至是化學的基礎理論之一，但實際上這東西屬於前期容易，後期極難的科目。
而且如果僅僅是用來打基礎的話，要學的東西並不難。
不過越過基礎後，需要學習的東西難度就上了N個檔次。
不僅需要數學基礎，還需要物理基礎。
而且隨著晶體場、配位場、分子軌道和前線分子軌道這些和軌道雜化有關的理論提出，一個深入學習軌道雜化技術的學者需要的學習的東西是其他化學課程的數倍以上。
實驗室中，韓元一邊處理著手中的石墨烯單晶晶圓，一邊講解著通過『軌道雜化技術』進行N/P極摻雜的注意事項。
「石墨烯單晶材料製成的晶圓在處理手段上和單晶矽晶圓類似，都是通過離子注入手段往裡面摻入對應的離子來製造不同的N/P極，進而改變攙雜區的導電方式，使每個電晶體可以通、斷、或攜帶數據。」
「當然，兩者進行摻雜時，使用的離子是不同的。」
「矽基晶片在進行離子摻雜時，常見的是磷和硼這兩種離子，當然也有鎵、砷、鋁和其它一些元素。」
「這需要根據晶片的不同用途，甚至蝕刻的電路圖不同來進行選擇。」
「而碳基晶片使用的摻雜離子則非上述這些，它使用的是一種金屬離子。」
韓元頓了頓，看了眼攝像頭吊了一下觀眾胃口，然後才接著道：
「碳基晶片使用的摻雜離子是『金屬銀離子』以及『矽離子』。」
銀和矽？
直播間裡面蹲守學習的各國專家在聽到韓元的話語後一愣，隨即立刻思索起來。
銀和矽這裡兩種材料都是非常常見的，矽就不用多說，它本身就是製造矽基晶片以及各種矽半導體的基礎原材料。
至於銀，除了生活中常見於各種首飾和裝飾品外，它更大的用途其實是工業。
銀的物理和化學性質都相當穩定，導熱、導電性能很好，質地相當柔軟，極具延展性，其反光率極高，可達99%以上，有許多重要用途。
比如銀常用來製作靈敏度極高的物理儀器元件，各種自動化裝置、火箭、潛水艇、計算機、核裝置以及通訊系統。
所有這些設備中的大量的接觸點都是用銀製作的。
在使用期間，每個接觸點要工作上百萬次，必須耐磨且性能可靠，能承受嚴格的工作要求。
而銀完全能滿足種種要求。
如果在銀中加入稀土元素，性能就更加優良。用這種加稀土元素的銀製作的接觸點，壽命可以延長好幾倍。
除此之外，在感光材料，化學化工材料、殺菌材料等方面也都有相當廣泛的用途。
比如攝影膠捲、相紙、X-光膠片、螢光信息記錄片、電子顯微鏡照相軟片和印刷膠片就應用了大量的氯化銀。
這是種性能相當優異的材料。
而隨著韓元的解釋，各國的專家也恍然明白為什麼石墨烯單晶晶圓中要使用銀離子來進行摻雜。
原因有兩個。
第一個是銀離子在通過離子注入手段滲入到石墨烯單晶晶圓裡面後，會摻雜在碳晶格裡面，進而提升攙雜區的導電方式。
就如矽基晶片中進行摻雜磷、硼這些離子一樣。
原理一樣，只不過的是，石墨烯單晶材料的性質和單晶矽晶圓的性質完全不同。
第二個也是更重要一個是，單質銀離子在通過離子注入機注入到石墨烯單晶材料裡面後，通過特定的條件，會形成碳化銀離子。
在正常情況下，銀是不會和碳反應的，即便是反應了，也會生成銀化碳，化學表達式為Ag2C2。
也就是說碳原子和銀原子並不是直接結合的，或者說，此時這兩種元素甚至都沒有以標準的原子形式存在，更接近於一種離子化合物。
這種銀碳形成的離子化合物，除了用來製造銀碳複合材料水溶液製備電化學電容外，並沒有太大的用途。
除了Ag2C2（碳化銀）外，還有一種碳納米管—銀複合納米材料，但那並不是發化合物，甚至都不是離子化合結構，僅僅是人工加工出來的物品，對於石墨烯單晶晶圓的加工並沒有什麼意義。
這次韓元使用銀離子來給石墨烯單晶晶圓進行離子摻雜，其整個過程中使用了軌道雜化技術。
通過計算，可以在一定的溫度、壓強以及其輔助催化材料的作用下，銀離子會和石墨烯單晶中的一部分碳原子進行雜化。
在這個過程中，碳原子可以利用它的s軌道和p軌道通過雜化作用和銀離子形成σ鍵。
除此之外，碳原子還能利用剩餘的p軌道進行互相疊加，通過Pπ-Pπ相互作用形成多重鍵。
在σ鍵以及Pπ-Pπ相互作用形成多重鍵的作用下，形成碳銀雜化軌道離子會與其他未參與作用的碳原子牢牢結合，穩定石墨烯單晶晶圓，為石墨烯單晶晶圓提供一定性能的耐熱能力，以及加強石墨烯單晶材料的導電性能。
這就是銀離子注入後的基本用途。
至於矽離子的用途，那就更簡單了。
如果說銀離子的注入，一部分作用可以理解為將高速公路修的更寬敞更平穩，讓電子在上面奔跑更加安全的話；那麼矽離子的注入，就是給這條高速公路修了收費站。
它控制著電子這輛車該去哪裡，不該去哪裡。
別忘記了石墨烯單晶材料雖然優秀，但它本身是有一個致命缺點的。
那就是石墨烯的帶隙問題。
這個問題對於碳基晶片來說可是超級致命級別的缺點。
就好像全國的高速公路沒有出入口，沒有收費站一樣，所有的汽車（電子）會在上面到處亂串。
高純度的碳化矽晶材本身就是一種性能相當優異的半導體材料。
而矽離子注入到石墨烯單晶材料中後，會與裡面的碳原子形成穩定的碳化矽結構。
和摻雜銀離子一樣，通過特殊手段，碳原子可以利用它的s軌道和p軌道通過雜化作用和矽離子形成σ鍵，也能在Pπ-Pπ相互作用形成多重鍵，起到穩定石墨烯單晶晶圓的作用。
除此之外，矽離子因為本身電子的特性，它除了碳原子具備的s軌道和p軌道外，還多出來一個d軌道。
被離子注入進石墨烯材料中的矽離子中的d軌道會參與成鍵，除了形成對應的sp3d和sp3d2等額外的雜化軌道外，還會增強Pπ-Pπ相互作用形成多重鍵的穩定性。
這樣一來，經過了銀離子和矽離子兩次摻雜的石墨烯單晶晶圓會在穩定上再上一層樓。
最終製造出來的碳基晶片不僅能耐高溫，而且即便是遭受到了強電流的衝擊也不會輕易損壞。
避免了意外或者黑客的破壞，其性能比起矽基晶片更強悍。
韓元的講解，讓直播間裡面的觀眾明白了碳基晶片在製造流程上與矽基晶片的差別。
也讓各國的專家將目光再一次聚集到『軌道雜化理論』上來。
這一個即基礎又高深的化學理論知識受到了所有國家的關注。
從這名主播的講解中可以知道，『軌道雜化理論』遠不止它現在表現出來的那麼簡單。
儘管時至今日，軌道雜化理論僅被用來描述幾何形狀或環境。
但後續如果發展的話，它除了可以用來解釋原子軌道的雜化外，還能通過計算，來在分子化學、高分子化學、理論化學這些專業上發揮巨大的作用。
這讓各國都對其重視起來。
儘管目前『軌道雜化理論』的高級部分還沒有完善閉環，但重視程度代表了對應資金、人力、物力等各方面的投入。
相信在不久的將來，這門原本頗為冷門的專業就會煥發出磅礴的生機。
而韓元的目的也正是如此。
一個文明能否走遠，依賴的是無數人共同的努力，而不是一個人的力量。
哪怕是他這樣開了掛的存在，也不可能方方面面每一個科技分支都帶著跑。
那樣明顯是不現實的事情。
所以碳基晶片使用的『軌道雜化理論』只是一個引子。
它引出來軌道雜化技術和相關軌道知識，但各國開始研究和發展這麼門理論和技術的時候，自然而然的就能將其延伸擴展到其他方面的應用上去。
韓元手中並不是沒有碳基晶片的其他製備方法。
『碳基集成電路板製備信息』中有十數種不同的碳基晶片製取方法。
別說石墨烯這種理論基礎材料製備了。
就是碳納米管、碳納米球這些粉末級的碳納米材料都有可以用來進行製造碳基晶片。
其中有些在性能方面還要超出石墨烯單晶晶圓製備的碳基晶片，但韓元依舊選擇了這個。
主要原因就是石墨烯單晶晶圓引出來了『軌道雜化理論』。
而引出來的『軌道雜化理論』能在一定程度上加強各國的化學學識。
當然，還有一個原因就是華國在石墨烯單晶晶圓這條路上走的最遠，最方便華國接收。
人嘛，都是有私心的，韓元也不例外。
雖然現在他的目標已經轉換，但這並不代表就要平等對待各國。
科學無國界，但科學家是有國界的。
模擬空間，化學實驗室中，韓元已經完成了對石墨烯單晶晶圓的處理。
下一步是對其進行光蝕。
也就是所謂的光刻機加工。
離子注入不在這一步，離子注入需要在光刻機加工完後才能進行處理。
如果使用光刻機進行加工碳基晶片的話，其步驟和加工矽基晶片是一樣的。
第一步是製造晶圓，矽基晶片的晶圓材料是單晶矽，碳基晶片的是石墨烯單晶。
當然，除了石墨烯單晶外，碳基晶片還可以使用碳納米管、碳納米球這些碳納米材料的製備的。
這並不衝突。
晶圓製造完成，純度等條件符合要求後第二步就是對進行塗膜。
這一步其實就是保存晶圓的步驟。
畢竟無論是碳基晶片還是矽基晶片，其晶圓材料被製造出來後都不會馬上就使用。
在現實中，AMSL公司是製造晶片的超級廠商之一，但它的晶圓材料是來自進口的。
其主要來源就是小島國。
從小島國進口的超高精度的單晶矽晶圓從生產到切片到運輸，都需要一段漫長的時間。
即便是製造出來晶圓，等到加工時再臨時切片，也避免不了氧化作用。
所以就要對晶圓塗膜，讓其能抵抗氧化以及耐溫能力。
至於使用的材料，是為光阻材料中的一種，他之前保存石墨烯晶圓材料時，使用的就是一種避光樹脂。
第三步是光刻機加工。
通過給晶圓塗上對紫外光敏感的化學物質，也就是光刻膠，通過控制遮光物的位置就可以得到晶片的外形。
然後再進行顯影操作，通過溶劑去掉沒有被照射或者被照射的部分，就可以得到刻蝕了電路圖的晶片了。
而這一步結束後，才能進行第四步：攙加雜質，也就是所謂的離子注入。
將光蝕完成後的晶圓放入特定的化學離子混合液中，可以改變攙雜區的導電方式。
有些簡單的晶片可以只用一層晶圓，但複雜的晶片，比如手機或電腦上用的CPU都有很多層。
所以在製造複雜晶片時需要將這一流程不斷的重複，然後在不同層開啟一個或者多個窗口將其聯接起來。
第四步完成後，就宣告一塊晶片大致完成了。
接下里的就是對其進行測試、封裝，然後再進行封裝測試，包裝。
剩下的就是將其售出，變成紅彤彤的鈔票了。
(本章完)
軌道雜化理論的出現，讓各國都動起來了。
相關專業甚至是理論化學、分子化學這些必修軌道雜化課程的人才被緊急召集，參與到這個直播中來進行學習。
這個被認為最少還需要十年甚至是二十年才能完善的理論現在就要用到是誰都沒有想到的。
不過按照正常的發展，其實各國的預測並沒有太大的問題。
韓元是深入學習過軌道雜化理論的，他知道這門課程中相關知識含量的多少以及學習起來的難度。
毫不誇張的說，如果是他在沒有得到這個系統之前去學習這門課程的話，100分的試卷，他都拿不到十分。
學這玩意，就跟學數學一樣。
全靠天賦，會就是會，不會就是不會。
儘管這東西是有機化學的基礎，甚至是化學的基礎理論之一，但實際上這東西屬於前期容易，後期極難的科目。
而且如果僅僅是用來打基礎的話，要學的東西並不難。
不過越過基礎後，需要學習的東西難度就上了N個檔次。
不僅需要數學基礎，還需要物理基礎。
而且隨著晶體場、配位場、分子軌道和前線分子軌道這些和軌道雜化有關的理論提出，一個深入學習軌道雜化技術的學者需要的學習的東西是其他化學課程的數倍以上。
實驗室中，韓元一邊處理著手中的石墨烯單晶晶圓，一邊講解著通過『軌道雜化技術』進行N/P極摻雜的注意事項。
「石墨烯單晶材料製成的晶圓在處理手段上和單晶矽晶圓類似，都是通過離子注入手段往裡面摻入對應的離子來製造不同的N/P極，進而改變攙雜區的導電方式，使每個電晶體可以通、斷、或攜帶數據。」
「當然，兩者進行摻雜時，使用的離子是不同的。」
「矽基晶片在進行離子摻雜時，常見的是磷和硼這兩種離子，當然也有鎵、砷、鋁和其它一些元素。」
「這需要根據晶片的不同用途，甚至蝕刻的電路圖不同來進行選擇。」
「而碳基晶片使用的摻雜離子則非上述這些，它使用的是一種金屬離子。」
韓元頓了頓，看了眼攝像頭吊了一下觀眾胃口，然後才接著道：
「碳基晶片使用的摻雜離子是『金屬銀離子』以及『矽離子』。」
銀和矽？
直播間裡面蹲守學習的各國專家在聽到韓元的話語後一愣，隨即立刻思索起來。
銀和矽這裡兩種材料都是非常常見的，矽就不用多說，它本身就是製造矽基晶片以及各種矽半導體的基礎原材料。
至於銀，除了生活中常見於各種首飾和裝飾品外，它更大的用途其實是工業。
銀的物理和化學性質都相當穩定，導熱、導電性能很好，質地相當柔軟，極具延展性，其反光率極高，可達99%以上，有許多重要用途。
比如銀常用來製作靈敏度極高的物理儀器元件，各種自動化裝置、火箭、潛水艇、計算機、核裝置以及通訊系統。
所有這些設備中的大量的接觸點都是用銀製作的。
在使用期間，每個接觸點要工作上百萬次，必須耐磨且性能可靠，能承受嚴格的工作要求。
而銀完全能滿足種種要求。
如果在銀中加入稀土元素，性能就更加優良。用這種加稀土元素的銀製作的接觸點，壽命可以延長好幾倍。
除此之外，在感光材料，化學化工材料、殺菌材料等方面也都有相當廣泛的用途。
比如攝影膠捲、相紙、X-光膠片、螢光信息記錄片、電子顯微鏡照相軟片和印刷膠片就應用了大量的氯化銀。
這是種性能相當優異的材料。
而隨著韓元的解釋，各國的專家也恍然明白為什麼石墨烯單晶晶圓中要使用銀離子來進行摻雜。
原因有兩個。
第一個是銀離子在通過離子注入手段滲入到石墨烯單晶晶圓裡面後，會摻雜在碳晶格裡面，進而提升攙雜區的導電方式。
就如矽基晶片中進行摻雜磷、硼這些離子一樣。
原理一樣，只不過的是，石墨烯單晶材料的性質和單晶矽晶圓的性質完全不同。
第二個也是更重要一個是，單質銀離子在通過離子注入機注入到石墨烯單晶材料裡面後，通過特定的條件，會形成碳化銀離子。
在正常情況下，銀是不會和碳反應的，即便是反應了，也會生成銀化碳，化學表達式為Ag2C2。
也就是說碳原子和銀原子並不是直接結合的，或者說，此時這兩種元素甚至都沒有以標準的原子形式存在，更接近於一種離子化合物。
這種銀碳形成的離子化合物，除了用來製造銀碳複合材料水溶液製備電化學電容外，並沒有太大的用途。
除了Ag2C2（碳化銀）外，還有一種碳納米管—銀複合納米材料，但那並不是發化合物，甚至都不是離子化合結構，僅僅是人工加工出來的物品，對於石墨烯單晶晶圓的加工並沒有什麼意義。
這次韓元使用銀離子來給石墨烯單晶晶圓進行離子摻雜，其整個過程中使用了軌道雜化技術。
通過計算，可以在一定的溫度、壓強以及其輔助催化材料的作用下，銀離子會和石墨烯單晶中的一部分碳原子進行雜化。
在這個過程中，碳原子可以利用它的s軌道和p軌道通過雜化作用和銀離子形成σ鍵。
除此之外，碳原子還能利用剩餘的p軌道進行互相疊加，通過Pπ-Pπ相互作用形成多重鍵。
在σ鍵以及Pπ-Pπ相互作用形成多重鍵的作用下，形成碳銀雜化軌道離子會與其他未參與作用的碳原子牢牢結合，穩定石墨烯單晶晶圓，為石墨烯單晶晶圓提供一定性能的耐熱能力，以及加強石墨烯單晶材料的導電性能。
這就是銀離子注入後的基本用途。
至於矽離子的用途，那就更簡單了。
如果說銀離子的注入，一部分作用可以理解為將高速公路修的更寬敞更平穩，讓電子在上面奔跑更加安全的話；那麼矽離子的注入，就是給這條高速公路修了收費站。
它控制著電子這輛車該去哪裡，不該去哪裡。
別忘記了石墨烯單晶材料雖然優秀，但它本身是有一個致命缺點的。
那就是石墨烯的帶隙問題。
這個問題對於碳基晶片來說可是超級致命級別的缺點。
就好像全國的高速公路沒有出入口，沒有收費站一樣，所有的汽車（電子）會在上面到處亂串。
高純度的碳化矽晶材本身就是一種性能相當優異的半導體材料。
而矽離子注入到石墨烯單晶材料中後，會與裡面的碳原子形成穩定的碳化矽結構。
和摻雜銀離子一樣，通過特殊手段，碳原子可以利用它的s軌道和p軌道通過雜化作用和矽離子形成σ鍵，也能在Pπ-Pπ相互作用形成多重鍵，起到穩定石墨烯單晶晶圓的作用。
除此之外，矽離子因為本身電子的特性，它除了碳原子具備的s軌道和p軌道外，還多出來一個d軌道。
被離子注入進石墨烯材料中的矽離子中的d軌道會參與成鍵，除了形成對應的sp3d和sp3d2等額外的雜化軌道外，還會增強Pπ-Pπ相互作用形成多重鍵的穩定性。
這樣一來，經過了銀離子和矽離子兩次摻雜的石墨烯單晶晶圓會在穩定上再上一層樓。
最終製造出來的碳基晶片不僅能耐高溫，而且即便是遭受到了強電流的衝擊也不會輕易損壞。
避免了意外或者黑客的破壞，其性能比起矽基晶片更強悍。
韓元的講解，讓直播間裡面的觀眾明白了碳基晶片在製造流程上與矽基晶片的差別。
也讓各國的專家將目光再一次聚集到『軌道雜化理論』上來。
這一個即基礎又高深的化學理論知識受到了所有國家的關注。
從這名主播的講解中可以知道，『軌道雜化理論』遠不止它現在表現出來的那麼簡單。
儘管時至今日，軌道雜化理論僅被用來描述幾何形狀或環境。
但後續如果發展的話，它除了可以用來解釋原子軌道的雜化外，還能通過計算，來在分子化學、高分子化學、理論化學這些專業上發揮巨大的作用。
這讓各國都對其重視起來。
儘管目前『軌道雜化理論』的高級部分還沒有完善閉環，但重視程度代表了對應資金、人力、物力等各方面的投入。
相信在不久的將來，這門原本頗為冷門的專業就會煥發出磅礴的生機。
而韓元的目的也正是如此。
一個文明能否走遠，依賴的是無數人共同的努力，而不是一個人的力量。
哪怕是他這樣開了掛的存在，也不可能方方面面每一個科技分支都帶著跑。
那樣明顯是不現實的事情。
所以碳基晶片使用的『軌道雜化理論』只是一個引子。
它引出來軌道雜化技術和相關軌道知識，但各國開始研究和發展這麼門理論和技術的時候，自然而然的就能將其延伸擴展到其他方面的應用上去。
韓元手中並不是沒有碳基晶片的其他製備方法。
『碳基集成電路板製備信息』中有十數種不同的碳基晶片製取方法。
別說石墨烯這種理論基礎材料製備了。
就是碳納米管、碳納米球這些粉末級的碳納米材料都有可以用來進行製造碳基晶片。
其中有些在性能方面還要超出石墨烯單晶晶圓製備的碳基晶片，但韓元依舊選擇了這個。
主要原因就是石墨烯單晶晶圓引出來了『軌道雜化理論』。
而引出來的『軌道雜化理論』能在一定程度上加強各國的化學學識。
當然，還有一個原因就是華國在石墨烯單晶晶圓這條路上走的最遠，最方便華國接收。
人嘛，都是有私心的，韓元也不例外。
雖然現在他的目標已經轉換，但這並不代表就要平等對待各國。
科學無國界，但科學家是有國界的。
模擬空間，化學實驗室中，韓元已經完成了對石墨烯單晶晶圓的處理。
下一步是對其進行光蝕。
也就是所謂的光刻機加工。
離子注入不在這一步，離子注入需要在光刻機加工完後才能進行處理。
如果使用光刻機進行加工碳基晶片的話，其步驟和加工矽基晶片是一樣的。
第一步是製造晶圓，矽基晶片的晶圓材料是單晶矽，碳基晶片的是石墨烯單晶。
當然，除了石墨烯單晶外，碳基晶片還可以使用碳納米管、碳納米球這些碳納米材料的製備的。
這並不衝突。
晶圓製造完成，純度等條件符合要求後第二步就是對進行塗膜。
這一步其實就是保存晶圓的步驟。
畢竟無論是碳基晶片還是矽基晶片，其晶圓材料被製造出來後都不會馬上就使用。
在現實中，AMSL公司是製造晶片的超級廠商之一，但它的晶圓材料是來自進口的。
其主要來源就是小島國。
從小島國進口的超高精度的單晶矽晶圓從生產到切片到運輸，都需要一段漫長的時間。
即便是製造出來晶圓，等到加工時再臨時切片，也避免不了氧化作用。
所以就要對晶圓塗膜，讓其能抵抗氧化以及耐溫能力。
至於使用的材料，是為光阻材料中的一種，他之前保存石墨烯晶圓材料時，使用的就是一種避光樹脂。
第三步是光刻機加工。
通過給晶圓塗上對紫外光敏感的化學物質，也就是光刻膠，通過控制遮光物的位置就可以得到晶片的外形。
然後再進行顯影操作，通過溶劑去掉沒有被照射或者被照射的部分，就可以得到刻蝕了電路圖的晶片了。
而這一步結束後，才能進行第四步：攙加雜質，也就是所謂的離子注入。
將光蝕完成後的晶圓放入特定的化學離子混合液中，可以改變攙雜區的導電方式。
有些簡單的晶片可以只用一層晶圓，但複雜的晶片，比如手機或電腦上用的CPU都有很多層。
所以在製造複雜晶片時需要將這一流程不斷的重複，然後在不同層開啟一個或者多個窗口將其聯接起來。
第四步完成後，就宣告一塊晶片大致完成了。
接下里的就是對其進行測試、封裝，然後再進行封裝測試，包裝。
剩下的就是將其售出，變成紅彤彤的鈔票了。
(本章完)