从“0”到“1”的突破！中美联合团队制成世界首个功能性石墨烯半导体

    石墨烯是碳的同素异形体，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。石墨烯是一种极好的导电体，并且耐热、耐酸，且在电势方面具有比硅更强大的优势，科学家们一直试图将它与其他碳材料结合起来，设计出一种与现有半导体相比耗能更少、工作速度更快的新型芯片。
　　然而，石墨烯独特的狄拉克锥能带结构，导致了零带隙的特性。“零带隙”特性正是困扰石墨烯研究者数十年的难题。如何打开带隙，成为开启“石墨烯电子学”大门的“关键钥匙”。
　　天津大学教授马雷联合美国佐治亚理工学院Walter de Heer团队，在保证石墨烯优良特性的前提下，打开了石墨烯带隙，首次制成了可扩展的半导体石墨烯，攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题。研究团队实现了从“0”到“1”的突破，这一突破被认为是开启石墨烯芯片制造领域大门的重要里程碑。这可能为制造比现在的硅芯片速度更快、效率更高的新型计算机铺平道路。
　　研究人员通过在石墨烯中引入带隙，展示了一种可以控制电流开关的晶体管。由于该技术与制造硅芯片的技术相同，因此该工艺或更有利于扩大规模。研究人员使用了加热的碳化硅晶片，使硅在碳之前蒸发，有效地在表面留下一层石墨烯。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。研究人员表示“这就像在砾石路上开车和在高速公路上开车一样。”
　　在本次天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心的突破性研究中，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。这种半导体的发展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。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恰逢其时，预示着电子学领域即将迎来一场根本性的变革，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。
　　相关研究成果论文《Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide(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《Nature(自然)》。