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　　天(tian)津大學(xue)天(tian)津納(na)米(mi)顆粒與納(na)米(mi)系統(tong)國際研究中心(簡稱(cheng)：納(na)米(mi)中心)的(de)(de)(de)馬雷教授及(ji)其科研團(tuan)隊(dui)(dui)，日(ri)前(qian)在(zai)(zai)半導(dao)體石(shi)墨烯(xi)領域(yu)取得了(le)顯著進展。該團(tuan)隊(dui)(dui)的(de)(de)(de)研究成果《碳化硅上(shang)生長的(de)(de)(de)超高遷移率半導(dao)體外延石(shi)墨烯(xi)》(Ultra-high mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide)，成功地攻克了(le)長期(qi)以來阻礙石(shi)墨烯(xi)電子學(xue)發(fa)展的(de)(de)(de)關鍵技術難題(ti)，打(da)開了(le)石(shi)墨烯(xi)帶(dai)隙，實現(xian)了(le)從“0”到“1”的(de)(de)(de)突破，這一(yi)突破被認為(wei)是(shi)開啟(qi)石(shi)墨烯(xi)芯片(pian)制造領域(yu)大門的(de)(de)(de)重(zhong)要里程碑。該項成果已于2024年1月3日(ri)在(zai)(zai)《自然》(Nature)雜志網站(zhan)上(shang)在(zai)(zai)線發(fa)布。

　　石墨烯(xi)，作為首個被發現可在室(shi)溫下穩定(ding)存在的(de)(de)二維材料，其獨特(te)的(de)(de)狄拉克錐能帶(dai)(dai)(dai)結構，導致了零(ling)帶(dai)(dai)(dai)隙(xi)(xi)的(de)(de)特(te)性。“零(ling)帶(dai)(dai)(dai)隙(xi)(xi)”特(te)性正是(shi)困擾石墨烯(xi)研究(jiu)者(zhe)數十年的(de)(de)難題(ti)。如(ru)何打開帶(dai)(dai)(dai)隙(xi)(xi)，成為開啟“石墨烯(xi)電子學(xue)”大門的(de)(de)“關鍵鑰匙”。

　　天(tian)津(jin)大學(xue)天(tian)津(jin)納(na)米顆粒與納(na)米系統(tong)國(guo)際研(yan)究中心(xin)的(de)(de)(de)馬雷(lei)教授(shou)研(yan)究團隊通過(guo)對外延石(shi)墨(mo)(mo)烯生(sheng)(sheng)長(chang)過(guo)程(cheng)的(de)(de)(de)精(jing)確調控，成功(gong)地在(zai)石(shi)墨(mo)(mo)烯中引入了(le)帶隙，創造了(le)一種新(xin)型穩定的(de)(de)(de)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)(ti)石(shi)墨(mo)(mo)烯。這項(xiang)前沿科技(ji)通過(guo)對生(sheng)(sheng)長(chang)環境的(de)(de)(de)溫度、時間(jian)及氣(qi)體(ti)(ti)流(liu)量(liang)進行嚴格控制(zhi)，確保了(le)碳(tan)原(yuan)子在(zai)碳(tan)化(hua)硅襯底上(shang)能(neng)形成高(gao)度有(you)(you)序的(de)(de)(de)結構。這種半(ban)(ban)導(dao)體(ti)(ti)石(shi)墨(mo)(mo)烯的(de)(de)(de)電子遷移率(lv)(lv)遠(yuan)超硅材料，表現(xian)(xian)出了(le)十倍于硅的(de)(de)(de)性能(neng)，并且擁有(you)(you)硅材料所不(bu)具備的(de)(de)(de)獨特性質。該(gai)項(xiang)研(yan)究實(shi)現(xian)(xian)了(le)三方(fang)面(mian)技(ji)術革(ge)新(xin)，首先，采用(yong)創新(xin)的(de)(de)(de)準(zhun)平衡(heng)退火方(fang)法，該(gai)方(fang)法制(zhi)備的(de)(de)(de)超大單(dan)層單(dan)晶(jing)疇(chou)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)(ti)外延石(shi)墨(mo)(mo)烯(SEG)，具有(you)(you)生(sheng)(sheng)長(chang)面(mian)積大、均勻(yun)性高(gao)，工藝(yi)流(liu)程(cheng)簡單(dan)、成本低(di)廉等優勢，彌(mi)補(bu)了(le)傳(chuan)統(tong)生(sheng)(sheng)產工藝(yi)的(de)(de)(de)不(bu)足;第二，該(gai)方(fang)法制(zhi)備的(de)(de)(de)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)(ti)石(shi)墨(mo)(mo)烯，擁有(you)(you)約(yue)600 meV帶隙以及高(gao)達5500cm2V-1s-1的(de)(de)(de)室溫霍爾遷移率(lv)(lv)，優于目前所有(you)(you)二維晶(jing)體(ti)(ti)至少(shao)一個數量(liang)級;最(zui)后，以該(gai)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)(ti)外延石(shi)墨(mo)(mo)烯制(zhi)備的(de)(de)(de)場效應晶(jing)體(ti)(ti)管開關比高(gao)達104，基本滿足了(le)現(xian)(xian)在(zai)的(de)(de)(de)工業(ye)化(hua)應用(yong)需(xu)求。

　　在本次天津大學(xue)天津納米顆(ke)粒與納米系統國際研(yan)(yan)究(jiu)中心的(de)突破性研(yan)(yan)究(jiu)中，具有帶隙的(de)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)石(shi)(shi)墨烯為(wei)高性能電子器件帶來(lai)(lai)了(le)(le)全新(xin)的(de)材料選擇。這(zhe)種半(ban)(ban)導(dao)體(ti)的(de)發(fa)展不僅為(wei)超越(yue)傳統硅基(ji)技術的(de)高性能電子器件開辟了(le)(le)新(xin)道路，還為(wei)整個半(ban)(ban)導(dao)體(ti)行業注入了(le)(le)新(xin)動(dong)力。隨著(zhu)摩爾定(ding)律所預測的(de)極限日益臨近，半(ban)(ban)導(dao)體(ti)石(shi)(shi)墨烯的(de)出現恰逢其時，預示(shi)著(zhu)電子學(xue)領域即(ji)將迎來(lai)(lai)一場根本性的(de)變(bian)革，其突破性的(de)屬性滿(man)足了(le)(le)對更(geng)高計算速(su)度和微(wei)型化集成電子器件不斷增長的(de)需求。

　　天(tian)津(jin)大(da)(da)學(xue)(xue)天(tian)津(jin)納(na)米顆粒與納(na)米系統國(guo)際研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)中心(xin)于2018年7月正(zheng)式掛牌成立，中心(xin)執行主任為(wei)馬雷(lei)教授。中心(xin)依(yi)托(tuo)天(tian)津(jin)大(da)(da)學(xue)(xue)深厚(hou)的(de)(de)(de)學(xue)(xue)術(shu)底蘊和多學(xue)(xue)科(ke)的(de)(de)(de)綜(zong)合優勢，致力于營造國(guo)際化的(de)(de)(de)學(xue)(xue)術(shu)創新環境，建成石墨烯(xi)電(dian)子(zi)學(xue)(xue)與團簇(cu)物理學(xue)(xue)領域世界一(yi)流的(de)(de)(de)國(guo)際化研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)平臺，為(wei)祖國(guo)培養銳意進(jin)取敢為(wei)人(ren)先(xian)、具有科(ke)研(yan)創新精神的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)型人(ren)才，服務國(guo)家重大(da)(da)戰(zhan)略需求，取得國(guo)際一(yi)流的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)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,NATURE625(2024), no. 7993, 60-65.//doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0