2024年1月4日，据天津大学介绍，该校纳米颗粒与纳米系统国际研究中心的马雷教授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，在保证石墨烯优良特性的前提下，打开了石墨烯带隙，成为开启石墨烯芯片制造领域大门的重要里程碑。该研究成果论文《碳化硅上生长的超高迁移率半导体外延石墨烯》1月3日在线发表于国际期刊《自然》。
研究成果图例 供图 天津大学
据介绍，石墨烯作为首个被发现可在室温下稳定存在的二维材料，未来在微电子学领域有极大的应用前景。但其独特的狄拉克锥能带结构，导致了“零带隙”的特性，成为石墨烯在半导体领域应用的阻碍，这也是困扰石墨烯研究者数十年的难题。
马雷团队通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功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。这种半导体石墨烯的电子迁移率远超硅材料，表现出了十倍于硅的性能，并且拥有硅材料所不具备的独特性质。
“团队通过严格控制生长环境的温度、时间及气体流量，确保了碳原子在碳化硅衬底上能形成高度有序的结构。”马雷介绍。
据了解，该项研究实现了三方面技术革新。首先，采用创新的准平衡退火方法，制备出超大单层单晶畴半导体外延石墨烯（SEG），其具有生长面积大、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；第二，该方法制备的半导体石墨烯，拥有约600毫电子伏带隙以及高达5500厘米平方每伏特秒的室温霍尔迁移率，优于目前所有二维晶体至少一个数量级。高迁移率意味着，单位时间内承载的信息量越高，计算机运算速率越快，处理信息的速度更快；最后，以该半导体外延石墨烯制备的场效应晶体管开关比高达10000，基本满足了工业化应用需求。
随着摩尔定律所预测的极限日益临近，半导体石墨烯的出现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，也为整个半导体行业注入了新动力。（记者 陈曦 通讯员 刘延俊）
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