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天津大學天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心馬雷教授及其研究團隊在半導體石墨烯領(lǐng)域取得了突破性進展。該團隊攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，打開了石墨烯帶隙，實現(xiàn)了“從0到1”的突破。這一突破被認為是開啟石墨烯芯片制造領(lǐng)域大門的重要里程碑。該項成果已于1月3日在《自然》雜志在線發(fā)布。
作為首個被發(fā)現(xiàn)可在室溫下穩(wěn)定存在的二維材料，石墨烯獨特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)，導致了零帶隙的特性。而零帶隙特性正是困擾石墨烯研究者數(shù)十年的難題。如何打開帶隙，成為開啟石墨烯電子學大門的“關(guān)鍵鑰匙”。
馬雷研究團隊通過對外延石墨烯生長過程的精確調(diào)控，成功地在石墨烯中引入了帶隙，創(chuàng)造了一種新型穩(wěn)定的半導體石墨烯。這項前沿科技通過對生長環(huán)境的溫度、時間及氣體流量進行嚴格控制，確保了碳原子在碳化硅襯底上能形成高度有序的結(jié)構(gòu)。這種半導體石墨烯的電子遷移率遠超硅材料，表現(xiàn)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)。
該項研究實現(xiàn)了三方面技術(shù)革新。第一，采用創(chuàng)新的準平衡退火方法，該方法制備的超大單層單晶疇半導體外延石墨烯，具有生長面積大、均勻性高、工藝流程簡單、成本低廉等優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)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600meV帶隙以及高達5500cm²/(V·s)的室溫霍爾遷移率，優(yōu)于目前所有二維晶體至少一個數(shù)量級。第三，以該半導體外延石墨烯制備的場效應晶體管開關(guān)比高達104，基本滿足了現(xiàn)在的工業(yè)化應用需求。
在此項研究中，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。這種半導體材料的發(fā)展不僅為超越傳統(tǒng)硅基技術(shù)的高性能電子器件開辟了新道路，還為整個半導體行業(yè)注入了新動力。業(yè)內(nèi)專家表示，隨著摩爾定律所預測的極限日益臨近，半導體石墨烯的出現(xiàn)恰逢其時，預示著電子學領(lǐng)域即將迎來一場根本性變革，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。
