大突破！中国研究团队成功制备全球首个石墨烯半导体！

1月4日消息，近日，天津大学旗下的天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心的研究团队，携手美国佐治亚理工学院的研究人员，克服了几十年来困扰石墨烯研究的最大障碍，成功创造出了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体，在硅基半导体微缩已经接近极限的当下，为半导体产业的发展打开了新的大门。

目前与该研究相关的论文《Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide》（《碳化硅上的超高迁移率半导体外延石墨烯》）已经成功发表在了《自然》杂志上，论文的共同第一作者是赵健、纪佩璇、李雅奇、李睿四人，其余多位署名作者主要来自中国天津大学研究团队，同时也有美国佐治亚理工学院教授沃尔特·德赫尔(Walter de Heer)带领的研究人员。

据了解，这项石墨烯半导体的研究是由天津大学团队作为主导完成的，并非一些外媒报道的由佐治亚理工学院物理学教授沃尔特·德赫尔主导。研究团队指导教师为天津大学讲席教授、天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心执行主任马雷，主要的研究和攻关工作都是由中国团队完成，沃尔特·德赫尔则是提点了研究方向。

资料显示，石墨烯（Graphene）是碳的同素异形体，碳原子以sp²杂化键合形成单层六边形蜂窝晶格石墨烯，只有一个原子的超薄厚度，是一种二维材料，不仅坚固耐用，还可以处理非常大的电流，并且不会升温和分解。所有这些特点表明石墨烯是理想的制备未来传输速度更快、体积更小、更节能的电子元件的理想材料，而且另一大优势是制备石墨烯的原料理论上可以无限供应。

但是，石墨烯既不是半导体也不是金属，而是半金属，没有合适的“带隙”（导带的最低点和价带的最高点的能量之差），无法在施加电场时以正确的比率实现打开和关闭——这是困扰石墨烯相关半导体研究的最大障碍。所以石墨烯电子学研究的主要问题是如何打开“带隙”，实现开和关的功能，以便它可以像硅一样具备半导体特性，从而可以工作。

而在过去的二十年里，很多研究人员都在尝试通过各种方法来打开石墨烯的“带隙”，但是都未能制备出可行的基于石墨烯的功能半导体，会很大程度上损失材料的本征特性。

对此，天津大学的研究团队通过在碳化硅晶圆上外延石墨烯，即在碳化硅晶圆上生长单层石墨烯，使其与碳化硅发生化学键合，从而得到了半导体特性。

该论文的概要当中写道：“众所周知，当硅从碳化硅晶体表面蒸发时，富含碳的表面结晶以产生多层石墨烯。在碳化硅的硅端接面上形成的第一个石墨烯层是部分共价结合到碳化硅表面的绝缘表观石墨烯。该缓冲层的光谱测量证明了半导体信号，但由于其是无序的，所以该层的电子迁移率受到限制。在这里，研究团队展示了一种准平衡退火方法，该方法在宏观原子平坦的平台上产生了半导体石墨烯（即有序的缓冲层）。半导体石墨烯晶格与碳化硅衬底对准，具有化学、机械和热稳定性，可以使用传统的半导体制造技术进行图案化并无缝连接到石墨烯半导体。这些基本特性使半导体石墨烯适用于纳米电子学。”

马雷教授也表示：“石墨烯电子学中长期存在的问题是，如何在保持石墨烯材料高迁移率特性的前提下打开带隙。我们的研究实现了解决了这一问题，这是实现石墨烯电子学走向电子产品应用的关键一步。”

但要制造功能性的石墨烯晶体管，必须对材料进行大量操作，这可能会损害其性能。因为石墨烯只有一个原子厚度，所有的原子都很重要，即使是图案中的微小不规则也会破坏它的性质。为了证明他们的平台可作为可行的半导体发挥作用，研究团队需要在不损坏它的情况下测量其电子特性。

根据该研究团队的测量表明，他们在碳化硅上制备的石墨烯半导体具有0.6 eV的带隙和超过5,000 cm 2  V -1  s -1的室温电子迁移率，达到了硅的10倍，同时也达到了其他二维半导体的20倍。换句话说，电子可以以非常低的阻力移动，这在电子学中意味着更快的计算能力。并且，得益于石墨烯本身的二维特性，使得其散热性能更好，效率更高。该石墨烯半导体也是目前唯一具有用于纳米电子学的所有必要特性的二维半导体，其电学特性远优于目前正在开发的任何其他二维半导体。

“对我来说，这就像莱特兄弟的时刻。”沃尔特·德赫尔教授表示：“他们就像是制造了一架可以在空中飞行 300 英尺的飞机。但怀疑论者问，既然世界已经有了高速火车和轮船，为什么还需要飞机。但他们坚持了下来，这是一项可以带人们跨越世界的技术的开始。”

外延石墨烯可能会引起电子领域的范式转变，研究人员可以利用其独特特性来研究全新的半导体技术。同时，该石墨烯半导体的生产方法可以与传统的硅基半导体制造方法兼容，而这也是石墨烯半导体替代硅基半导体的必要条件。

研究人员在论文中写道，这项技术“在未来具有显著的商业可行性潜力”。

马雷在接受第一财经采访时也表示，这种材料如果投入工业应用，在成本上，基本可比拟现在市面上的半导体制造材料，而在性能上，则将更加优越。

尽管如此，将石墨烯半导体扩展到计算芯片之前，仍有很多问题需要解决。

“我估计还要10到15年，才能真正能看到石墨烯半导体完全落地。”马雷表示，研究团队正在努力尝试让石墨烯半导体材料长在更大尺寸的碳化硅衬底上。

编辑：芯智讯-浪客剑

参考资料：

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

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