4日，記者從天津大學(xué)獲悉，該校納米顆粒與納米系統國際研究中心的馬雷教授團隊攻克了長(cháng)期以來(lái)阻礙石墨烯電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，在保證石墨烯優(yōu)良特性的前提下，打開(kāi)了石墨烯帶隙，成為開(kāi)啟石墨烯芯片制造領(lǐng)域大門(mén)的重要里程碑。該研究成果論文《碳化硅上生長(cháng)的超高遷移率半導體外延石墨烯》1月3日在線(xiàn)發(fā)表于國際期刊《自然》。

（天津大學(xué)供圖）

據介紹，石墨烯作為首個(gè)被發(fā)現可在室溫下穩定存在的二維材料，未來(lái)在微電子學(xué)領(lǐng)域有極大的應用前景。但其獨特的狄拉克錐能帶結構，導致了“零帶隙”的特性，成為石墨烯在半導體領(lǐng)域應用的阻礙，這也是困擾石墨烯研究者數十年的難題。

馬雷團隊通過(guò)對外延石墨烯生長(cháng)過(guò)程的精確調控，成功在石墨烯中引入了帶隙，創(chuàng )造了一種新型穩定的半導體石墨烯。這種半導體石墨烯的電子遷移率遠超硅材料，表現出了十倍于硅的性能，并且擁有硅材料所不具備的獨特性質(zhì)。

“團隊通過(guò)嚴格控制生長(cháng)環(huán)境的溫度、時(shí)間及氣體流量，確保了碳原子在碳化硅襯底上能形成高度有序的結構?！瘪R雷介紹。

據了解，該項研究實(shí)現了三方面技術(shù)革新。首先，采用創(chuàng )新的準平衡退火方法，制備出超大單層單晶疇半導體外延石墨烯（SEG），其具有生長(cháng)面積大、均勻性高，工藝流程簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)勢，彌補了傳統生產(chǎn)工藝的不足；第二，該方法制備的半導體石墨烯，擁有約600毫電子伏帶隙以及高達5500厘米平方每伏特秒的室溫霍爾遷移率，優(yōu)于目前所有二維晶體至少一個(gè)數量級。高遷移率意味著(zhù)，單位時(shí)間內承載的信息量越高，計算機運算速率越快，處理信息的速度更快；最后，以該半導體外延石墨烯制備的場(chǎng)效應晶體管開(kāi)關(guān)比高達10000，基本滿(mǎn)足了工業(yè)化應用需求。

隨著(zhù)摩爾定律所預測的極限日益臨近，半導體石墨烯的出現為高性能電子器件帶來(lái)了全新的材料選擇，其突破性的屬性滿(mǎn)足了對更高計算速度和微型化集成電子器件不斷增長(cháng)的需求，也為整個(gè)半導體行業(yè)注入了新動(dòng)力。