1月4日消息，近日，天津大學旗下的天津納米顆粒與納米系統國際研究中心的研究團隊，攜手美國佐治亞理工學院的研究人員，克服了幾十年來困擾石墨烯研究的最大障礙。

成功創造出了世界上第一個由石墨烯制成的功能半導體，在硅基半導體微縮已經接近極限的當下，為半導體產業的發展打開了新的大門。

△研究團隊制備的生長在碳化硅襯底上的石墨烯器件

目前與該研究相關的論文《Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide》（《碳化硅上的超高遷移率半導體外延石墨烯》）已經成功發表在了《自然》雜志上。

論文的共同第一作者是趙健、紀佩璇、李雅奇、李睿四人，其余多位署名作者主要來自中國天津大學研究團隊，同時也有美國佐治亞理工學院教授沃爾特·德赫爾(Walter de Heer)帶領的研究人員。

據了解，這項石墨烯半導體的研究是由天津大學團隊作為主導完成的，并非一些外媒報道的由佐治亞理工學院物理學教授沃爾特·德赫爾主導。

研究團隊指導教師為天津大學講席教授、天津納米顆粒與納米系統國際研究中心執行主任馬雷，主要的研究和攻關工作都是由中國團隊完成，沃爾特·德赫爾則是提點了研究方向。

資料顯示，石墨烯（Graphene）是碳的同素異形體，碳原子以sp²雜化鍵合形成單層六邊形蜂窩晶格石墨烯，只有一個原子的超薄厚度，是一種二維材料，不僅堅固耐用，還可以處理非常大的電流，并且不會升溫和分解。

所有這些特點表明石墨烯是理想的制備未來傳輸速度更快、體積更小、更節能的電子元件的理想材料，而且另一大優勢是制備石墨烯的原料理論上可以無限供應。

但是，石墨烯既不是半導體也不是金屬，而是半金屬，沒有合適的“帶隙”（導帶的最低點和價帶的最高點的能量之差），無法在施加電場時以正確的比率實現打開和關閉——這是困擾石墨烯相關半導體研究的最大障礙。

所以石墨烯電子學研究的主要問題是如何打開“帶隙”，實現開和關的功能，以便它可以像硅一樣具備半導體特性，從而可以工作。

而在過去的二十年里，很多研究人員都在嘗試通過各種方法來打開石墨烯的“帶隙”，但是都未能制備出可行的基于石墨烯的功能半導體，會很大程度上損失材料的本征特性。

對此，天津大學的研究團隊通過在碳化硅晶圓上外延石墨烯，即在碳化硅晶圓上生長單層石墨烯，使其與碳化硅發生化學鍵合，從而得到了半導體特性。

該論文的概要當中寫道：

“眾所周知，當硅從碳化硅晶體表面蒸發時，富含碳的表面結晶以產生多層石墨烯。在碳化硅的硅端接面上形成的第一個石墨烯層是部分共價結合到碳化硅表面的絕緣表觀石墨烯。

該緩沖層的光譜測量證明了半導體信號，但由于其是無序的，所以該層的電子遷移率受到限制。

在這里，研究團隊展示了一種準平衡退火方法，該方法在宏觀原子平坦的平臺上產生了半導體石墨烯（即有序的緩沖層）。

半導體石墨烯晶格與碳化硅襯底對準，具有化學、機械和熱穩定性，可以使用傳統的半導體制造技術進行圖案化并無縫連接到石墨烯半導體。這些基本特性使半導體石墨烯適用于納米電子學。”

馬雷教授也表示：

“石墨烯電子學中長期存在的問題是，如何在保持石墨烯材料高遷移率特性的前提下打開帶隙。我們的研究實現了解決了這一問題，這是實現石墨烯電子學走向電子產品應用的關鍵一步。”

但要制造功能性的石墨烯晶體管，必須對材料進行大量操作，這可能會損害其性能。

因為石墨烯只有一個原子厚度，所有的原子都很重要，即使是圖案中的微小不規則也會破壞它的性質。為了證明他們的平臺可作為可行的半導體發揮作用，研究團隊需要在不損壞它的情況下測量其電子特性。

根據該研究團隊的測量表明，他們在碳化硅上制備的石墨烯半導體具有0.6 eV的帶隙和超過5,000 cm 2  V -1  s -1的室溫電子遷移率，達到了硅的10倍，同時也達到了其他二維半導體的20倍。

換句話說，電子可以以非常低的阻力移動，這在電子學中意味著更快的計算能力。

并且，得益于石墨烯本身的二維特性，使得其散熱性能更好，效率更高。該石墨烯半導體也是目前唯一具有用于納米電子學的所有必要特性的二維半導體，其電學特性遠優于目前正在開發的任何其他二維半導體。

“對我來說，這就像萊特兄弟的時刻。”沃爾特·德赫爾教授表示：“他們就像是制造了一架可以在空中飛行 300 英尺的飛機。但懷疑論者問，既然世界已經有了高速火車和輪船，為什么還需要飛機。但他們堅持了下來，這是一項可以帶人們跨越世界的技術的開始。”

外延石墨烯可能會引起電子領域的范式轉變，研究人員可以利用其獨特特性來研究全新的半導體技術。同時，該石墨烯半導體的生產方法可以與傳統的硅基半導體制造方法兼容，而這也是石墨烯半導體替代硅基半導體的必要條件。

研究人員在論文中寫道，這項技術“在未來具有顯著的商業可行性潛力”。

馬雷在接受第一財經采訪時也表示，這種材料如果投入工業應用，在成本上，基本可比擬現在市面上的半導體制造材料，而在性能上，則將更加優越。

盡管如此，將石墨烯半導體擴展到計算芯片之前，仍有很多問題需要解決。

“我估計還要10到15年，才能真正能看到石墨烯半導體完全落地。”馬雷表示，研究團隊正在努力嘗試讓石墨烯半導體材料長在更大尺寸的碳化硅襯底上。

編輯：芯智訊-浪客劍

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06811-0

https://research.gatech.edu/feature/researchers-create-first-functional-semiconductor-made-graphene