1月4日，記者從天津大學官網獲悉，該校納米顆粒與納米系統國際研究中心的馬雷團隊攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學發展的關鍵技術難題，通過對外延石墨烯生長過程的精確調控，成功地在石墨烯中引入了帶隙，創造了一種新型穩定的半導體石墨烯。該項研究成果的論文《碳化硅上生長的超高遷移率半導體外延石墨烯》已于2024年1月3日在《自然》雜志網站發布。
石墨烯作為首個被發現可在室溫下穩定存在的二維材料，具有寬帶光響應、高載流子遷移率、高熱導率等特性，是制備體積更小、更節能且傳輸速度更快的電子元件的理想材料。然而，石墨烯獨特的狄拉克錐能帶結構導致其具有“零帶隙”特性，即禁帶寬度為零，無法在施加電場時以正確的比率實現打開和關閉，限制了石墨烯在半導體領域的應用和發展。“零帶隙”特性也成為困擾石墨烯研究者數十年的難題。
馬雷團隊采用創新的準平衡退火方法，嚴格控制生長環境的溫度、時間及氣體流量，制備出超大單層單晶疇半導體外延石墨烯（SEG），即在碳化硅晶圓上外延石墨烯，使其與碳化硅發生化學鍵合，從而具備半導體特性。
該研究成果論文顯示，這種石墨烯半導體的帶隙為0.6eV，室溫電子遷移率超過5000cm2/V·s，表現出了十倍于硅的性能。其電子能以更低的阻力移動，在電子學中意味著更快的計算能力，優于目前所有二維晶體至少一個數量級，是目前唯一具有應用于納米電子學所有必要特性的二維半導體。
同時，該石墨烯半導體具備生長面積大、均勻性高，工藝流程簡單、成本低廉等優勢，彌補了傳統生產工藝的不足。以該半導體外延石墨烯制備的場效應晶體管開關比高達104，基本滿足了當前的工業化應用需求。
值得關注的是，隨著摩爾定律所預測的極限日益臨近，這種具有帶隙的半導體石墨烯為高性能電子器件帶來了全新的材料選擇，其突破性的屬性滿足了對更高計算速度和微型化集成電子器件不斷增長的需求，不僅為超越傳統硅基技術的高性能電子器件開辟了新道路，還為整個半導體行業注入了新動力。(記者張心怡 實習記者趙宇彤)
轉自：中國稅務報
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