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組裝完成，需要的基礎材料也都有了，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，韓元在高標準的凈潔無塵化學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異，但因為本書屬于單晶級材料，也是需要進行摻雜其他離子材料進行制造相應的P、N類半導體。

　　這一步無論是在硅基芯片上還是碳基芯片上都必不可免。

　　當然，給石墨烯單晶晶圓進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，區別在于內核的質子數與外層電子數不同。

　　碳的核內有6個質子,硅的核內有14個質子。

　　碳的電子數目是6個，分兩層，里層2個，外層4個。

　　而硅的電子數目是14個，分三層，里層2個，中間層8個，外層4個。

　　質子和電子數目不同，這導致了它們的成鍵性質不同，也導致了它們在面對不同材料時成鍵軌道、性質以及對應的鍵能量級不同。

　　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定。

　　而這點，其實是可以應用到碳基芯片的制造上面的，

　　應用碳的化合物來制造相應的P、N類半導體，其理論基礎是‘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用。

　　相當于家里的電燈沒有開關一樣，一直常亮。

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

　　但是它在成鍵能力、分子的空間構型等方面豐富和發展了現代價鍵理論。

　　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、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。

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鍵的強度更大，體系的能量更低，可以更進一步的提高材料的穩定性。

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

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

　　因此它的用途極多，也非常廣泛。

　　從光學、電學、力學特性，再到材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面都具有相當廣闊的應用前進。

　　但優異的性能背后自然有著缺點。

　　除了大規模生產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性。

　　由于石墨烯具有良好的導熱性能，但其本身并不那么穩定，盡管后面科學家找了使用CVD這種可以生產大量的石墨烯方法。

　　但是無法在有氧環境中穩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，會導致生成氧化石墨烯，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，不可能不商業化應用。

　　而商業化應用，你不可能給每一塊芯片都配備一個無氧環境或者真空環境。

　　且不說需要耗費的金錢和資源，就對環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的辦法，但迄今為止，依然沒有什么穩定有效的彌補方式。

　　而通過軌道雜化技術，可以有效的彌補這個缺點。

　　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，通過雜化軌道技術處理后的石墨烯材料將不再懼怕有氧和高溫的環境。

　　當然，雜化軌道技術也不是沒有缺點的。

　　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已經應用到了各種分子化合物上，甚至已經編寫到了初高中化學教材中。

　　但不可否認的是，無論是理論還是技術，都沒有形成自己的閉環。

　　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的國家，相關的研究人員也并不是沒有考慮過使用‘雜化軌道技術’來給碳基芯片提升穩定性。

　　但很遺憾的是，這項技術在國內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。

　　盡管這項技術誕生了兩個諾貝爾化學獎，但依舊屬于冷門專業。

　　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，基本上在后續的一些年內都會引起全世界的關注和投資。

　　但軌道雜化理論并沒有，在2010年以前，全世界開設這門專業的學校很少。

　　少到一個什么程度呢？

　　大概就是你學了這門專業，然后走到博士階段的話，你的導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廣泛起來了，甚至有些專業，比如分子化學，理論化學還將其設成了必修課。

　　不過學這玩意的人，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、洪特規則這幾個，會寫1s2s2p、三種晶胞就夠了。

　　但到了大學階段，這玩意的難度性質就像要一個文科生弄懂實變函數泛函分析拓撲學抽象代數一樣。

　　簡直讓人絕望。

　　都說數學物理讓人掉頭發，讓人地中海，但你想學懂這玩意，掉頭發的速度比你去少林出家還要快。

　　再加軌道雜化理論不明，目前在學術界幾乎是僅僅用來描述幾何形狀或環境，找工作太難，所以學的人幾乎沒什么。

　　除此之外，過分地強調雜化的其他“重要性”，還有一定的可能會對未來學習化學造成不必要的“彎路”。

　　因此即便是學習化學的人，也很少有輔修軌道雜化理論的。

　　學習的人少，理論未成熟閉環這是第一點。

　　第二點則是在第一點下面衍生出來的。

　　通過軌道雜化技術，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行雜化，孤立的原子不可能發生雜化。

　　這一點就限制了軌道雜化技術。

　　要知道在各種化學實驗中，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，軌道雜化技術的應用就被限制住了。

　　雖有缺點，但軌道雜化技術的價值還是很高的。

　　這個點，韓元比各國更加清楚。

　　因為碳基芯片技術的原因，他從頭到底將軌道雜化理論學習了一遍。

　　雖然在學習的過程中挺痛苦的，但學完之后，韓元才知道這門技術不僅僅是應用在碳基芯片的制備上。

　　而是在非理論化學界以及高分子化學界有相當廣闊的應用市場。

　　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？軌道雜化理論？這是什么東東？

　　草！我大學學的就是這玩意，一學就是四年，我現在大四，任然沒有弄懂這東西，已經補考兩次了。

　　樓上這么巧？我也學了這個，造孽啊，救救孩子吧。

　　本人高二、馬上要參加IPHO化學省賽了，目前正在瘋狂補這玩意，頭已禿。

　　這玩意高中老師都不講，說略難，說大學有機肯定講，然后你上了大學，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，人聲淹沒，于是就跳了，于是你懵了，于是奠定了掛科基礎。

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

　　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？

關于雜化理論，我說幾點　　哈爾濱理工大學化學老師溫馨提醒各位同學，不要以為高中學不會雜化理論就算了，大學你也是逃不掉的，該來的總會來。

　　呵，我大學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專業就是必修，甚至跟石墨烯有關的專業都是必修。

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

　　軌道雜化技術和理論他們知道，但對于軌道雜化技術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‘東風系列’的導彈快遞一樣，僅限于這個。

　　當然，如果正好是化學方面，但并非軌道雜化理論專業的專家會知道這枚‘東風快遞’的爆炸威力，半徑，殺傷力，有效打擊半徑這些更詳細一些的東西。

　　但對于如何制造一枚‘東風快遞’，是不清楚的。

　　雖然近些年很多大學都開設了軌道雜化理論專業，也有一些人去學習這方面的東西了，但頂級人才的出現，是需要時間來進行堆積的。

　　而一個才開設不久的專業，別說出現頂級人才了，很多人畢沒畢業都是一個問題。

　　大學四年，研究生三年，博士有些是三年，有些是四年，光是學習都需要十年以上的時間。

　　而就華國來說，大部分的大學開設這門專業，基本都是在10年以后的。

　　到現在，很多學生都還沒畢業，哪里來的頂級人才。