1月4日，記者從天津大學(xué)官網(wǎng)獲悉，該校納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心的馬雷團隊攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，通過對外延石墨烯生長過程的精確調(diào)控，成功地在石墨烯中引入了帶隙，創(chuàng)造了一種新型穩(wěn)定的半導(dǎo)體石墨烯。該項研究成果的論文《碳化硅上生長的超高遷移率半導(dǎo)體外延石墨烯》已于2024年1月3日在《自然》雜志網(wǎng)站發(fā)布。
石墨烯作為首個被發(fā)現(xiàn)可在室溫下穩(wěn)定存在的二維材料，具有寬帶光響應(yīng)、高載流子遷移率、高熱導(dǎo)率等特性，是制備體積更小、更節(jié)能且傳輸速度更快的電子元件的理想材料。然而，石墨烯獨特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其具有“零帶隙”特性，即禁帶寬度為零，無法在施加電場時以正確的比率實現(xiàn)打開和關(guān)閉，限制了石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展?！傲銕丁碧匦砸渤蔀槔_石墨烯研究者數(shù)十年的難題。
馬雷團隊采用創(chuàng)新的準平衡退火方法，嚴格控制生長環(huán)境的溫度、時間及氣體流量，制備出超大單層單晶疇半導(dǎo)體外延石墨烯（SEG），即在碳化硅晶圓上外延石墨烯，使其與碳化硅發(fā)生化學(xué)鍵合，從而具備半導(dǎo)體特性。
該研究成果論文顯示，這種石墨烯半導(dǎo)體的帶隙為0.6eV，室溫電子遷移率超過5000cm2/V·s，表現(xiàn)出了十倍于硅的性能。其電子能以更低的阻力移動，在電子學(xué)中意味著更快的計算能力，優(yōu)于目前所有二維晶體至少一個數(shù)量級，是目前唯一具有應(yīng)用于納米電子學(xué)所有必要特性的二維半導(dǎo)體。
同時，該石墨烯半導(dǎo)體具備生長面積大、均勻性高，工藝流程簡單、成本低廉等優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的不足。以該半導(dǎo)體外延石墨烯制備的場效應(yīng)晶體管開關(guān)比高達104，基本滿足了當前的工業(yè)化應(yīng)用需求。
值得關(guān)注的是，隨著摩爾定律所預(yù)測的極限日益臨近，這種具有帶隙的半導(dǎo)體石墨烯為高性能電子器件帶來了全新的材料選擇，其突破性的屬性滿足了對更高計算速度和微型化集成電子器件不斷增長的需求，不僅為超越傳統(tǒng)硅基技術(shù)的高性能電子器件開辟了新道路，還為整個半導(dǎo)體行業(yè)注入了新動力。(記者張心怡 實習(xí)記者趙宇彤)
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