慧正資訊，1月5日，天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心（纳米中心）在半导体石墨烯研究取得新突破。

纳米中心的马雷教授及其科研团队，日前在半导体石墨烯领域取得了显著进展。该团队的研究成果《碳化硅上生长的超高迁移率半导体外延石墨烯》（Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide），成功地攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题，打开了石墨烯带隙，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。该项成果已于2024年1月3日在《自然》（Nature）杂志网站上在线发布。

图（a）SEG的低温原子分辨扫描隧道显微镜（STM）图像；（b）SEG的低温扫描隧道谱（STS）；（c）SEG的低能电子衍射（LEED）图；（d）50 μm×50 μm区域的拉曼光谱图；（e）温度和迁移率的关系，最高5500 cm2V-1s-1；（f）器件的转移特性曲线，开关比可达104；（g）输运机制转变示意图；（h）无缝SEG/QFSG结构。

石墨烯，作爲首個被發現可在室溫下穩定存在的二維材料，其獨特的狄拉克錐能帶結構，導致了零帶隙的特性。“零帶隙”特性正是困擾石墨烯研究者數十年的難題。如何打開帶隙，成爲開啓“石墨烯電子學”大門的“關鍵鑰匙”。

天津大學天津納米顆粒與納米系統國際研究中心的馬雷教授研究團隊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。這項前沿科技通過對生長環境的溫度、時間及氣體流量進行嚴格控制，確保了碳原子在碳化矽襯底上能形成高度有序的結構。這種半導體石墨烯的電子遷移率遠超矽材料，表現出了十倍于矽的性能，並且擁有矽材料所不具備的獨特性質。

该项研究实现了三方面技术革新，首先，采用创新的准平衡退火方法，该方法制备的超大单层单晶畴半导体外延石墨烯（SEG），具有生长面积大、均匀性高，工艺流程简单、成本低廉等优势，弥补了传统生产工艺的不足；第二，该方法制备的半导体石墨烯，拥有约600 meV带隙以及高达5500 cm2V-1s-1的室温霍尔迁移率，优于目前所有二维晶体至少一个数量级；最后，以该半导体外延石墨烯制备的场效应晶体管开关比高达104，基本满足了现在的工业化应用需求。

在本次天津大學天津納米顆粒與納米系統國際研究中心的突破性研究中，具有帶隙的半導體石墨烯爲高性能電子器件帶來了全新的材料選擇。這種半導體的發展不僅爲超越傳統矽基技術的高性能電子器件開辟了新道路，還爲整個半導體行業注入了新動力。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恰逢其時，預示著電子學領域即將迎來一場根本性的變革，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。

天津大學天津納米顆粒與納米系統國際研究中心于2018年7月正式挂牌成立，中心執行主任爲馬雷教授。中心依托天津大學深厚的學術底蘊和多學科的綜合優勢，致力于營造國際化的學術創新環境，建成石墨烯電子學與團簇物理學領域世界一流的國際化研究平台，爲祖國培養銳意進取敢爲人先、具有科研創新精神的研究型人才，服務國家重大戰略需求，取得國際一流的研究成果。

原文鏈接

J. Zhao, P. Ji, Y. Li, R. Li, K. Zhang, H. Tian, K. Yu, B. Bian, L. Hao, X. Xiao, W. Griffin, N. Dudeck, R. Moro, L. Ma and W. A. de Heer,Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide,Nature 625 （2024）, 60-65.

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0