天津大学团队成功制备全球首个石墨烯半导体

1月4日，记者从天津大学官网获悉，该校纳米颗粒与纳米系统国际研究中心的马雷团队攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题，通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功地在石墨烯中引入了带隙，创造了一种新型稳定的半导体石墨烯。该项研究成果论文《碳化硅上生长的超高迁移率半导体外延石墨烯》已于2024年1月3日在《自然》（Nature）杂志网站发布。

图源：天津大学官网

石墨烯作为首个被发现可在室温下稳定存在的二维材料，具有宽带光响应、高载流子迁移率、高热导率等特性，是制备体积更小、更节能且传输速度更快的电子元件的理想材料。然而，石墨烯独特的狄拉克锥能带结构导致其“零带隙”的特性，即禁带宽度为零，无法在施加电场时以正确的比率实现打开和关闭，限制了石墨烯在半导体领域的应用和发展。“零带隙”特性也成为困扰石墨烯研究者数十年的难题。

马雷团队采用创新的准平衡退火方法，严格控制生长环境的温度、时间及气体流量，制备出超大单层单晶畴半导体外延石墨烯（SEG），即在碳化硅晶圆上外延石墨烯，使其与碳化硅发生化学键合，从而具备半导体特性。

该研究成果论文显示，这种石墨烯半导体的带隙为0.6 eV，室温电子迁移率超过5000 cm² V ⁻¹ S⁻¹，表现出了十倍于硅的性能。其电子能以更低的阻力移动，在电子学中意味着更快的计算能力，优于目前所有二维晶体至少一个数量级，是目前唯一具有用于纳米电子学的所有必要特性的二维半导体。

同时，该石墨烯半导体具备生长面积大、均匀性高，工艺流程简单、成本低廉等优势，弥补了传统生产工艺的不足。以该半导体外延石墨烯制备的场效应晶体管开关比高达10⁴，基本满足了当前的工业化应用需求。

值得关注的是，随着摩尔定律所预测的极限日益临近，这种具有带隙的半导体石墨烯为高性能电子器件带来了全新的材料选择，其突破性的属性满足了对更高计算速度和微型化集成电子器件不断增长的需求，不仅为超越传统硅基技术的高性能电子器件开辟了新道路，还为整个半导体行业注入了新动力。

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