天津大学Nature发文！半导体石墨烯研究有新突破

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天津大学纳米中心

半导体石墨烯研究取得新突破

天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心（简称：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，作为首个被发现可在室温下稳定存在的二维材料，其独特的狄拉克锥能带结构，导致了零带隙的特性。“零带隙”特性正是困扰石墨烯研究者数十年的难题。如何打开带隙，成为开启“石墨烯电子学”大门的“关键钥匙”。

天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心的马雷教授研究团队通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功地在石墨烯中引入了带隙，创造了一种新型稳定的半导体石墨烯。这项前沿科技通过对生长环境的温度、时间及气体流量进行严格控制，确保了碳原子在碳化硅衬底上能形成高度有序的结构。这种半导体石墨烯的电子迁移率远超硅材料，表现出了十倍于硅的性能，并且拥有硅材料所不具备的独特性质。

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。

在本次天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心的突破性研究中，具有带隙的半导体石墨烯为高性能电子器件带来了全新的材料选择。这种半导体的发展不仅为超越传统硅基技术的高性能电子器件开辟了新道路，还为整个半导体行业注入了新动力。随着摩尔定律所预测的极限日益临近，半导体石墨烯的出现恰逢其时，预示着电子学领域即将迎来一场根本性的变革，其突破性的属性满足了对更高计算速度和微型化集成电子器件不断增长的需求。

天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心于2018年7月正式挂牌成立，中心执行主任为马雷教授。中心依托天津大学深厚的学术底蕴和多学科的综合优势，致力于营造国际化的学术创新环境，建成石墨烯电子学与团簇物理学领域世界一流的国际化研究平台，为祖国培养锐意进取敢为人先、具有科研创新精神的研究型人才，服务国家重大战略需求，取得国际一流的研究成果。

原文链接（点击阅读原文查看）：

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

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内容来源 / 天津大学新闻网

通讯员 / 纪梅

摄影 / 刘延俊 杨鸿钦

编辑 / 梁绍楠

底图制作 / 罗晨尹

审核 / 王鑫 梁绍楠

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