近日，天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心（以下简称：纳米中心）的马雷教授及其科研团队，在半导体石墨烯领域取得了显著进展。

该团队研制出世界上第一个由石墨烯材料制成的功能性半导体。研究人员表示，这预示着一个电子新时代的到来，它为研制更小、更快、更高效的电子设备铺平了道路。

天津大学纳米中心马雷教授及其科研团队（图源：天津大学官方视频号）

团队相关论文已于1月3日发表在权威期刊《自然》（《Nature》）杂志上，这一研究成果引起业界广泛关注与讨论。

攻克石墨烯关键技术难题

天津大学团队取得里程碑式突破

1月4日，天津大学官网发布新闻称，该校纳米中心的马雷团队成功攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题，通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功打开了石墨烯带隙，实现了从“0”到“1”的突破，创造了一种新型稳定的半导体石墨烯。

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，该项研究成果论文《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）已在《自然》杂志官网在线发布。

论文作者主要来自天津大学马雷教授团队，同时也有美国佐治亚理工学院教授Walter de Heer团队参与。马雷教授对媒体记者表示：“该研究以天津大学团队为主导，并非网传由外国高校主导。是我带着我们学生做的。”

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

据了解，石墨烯是一种简单的材料，是碳的同素异形体，仅由单层碳原子组成，但它的强度几乎大于自然界中的任何其他物质，是最坚固的材料之一，而且在电势方面可以轻而易举地击败硅。

早在1947年科学界就有了针对石墨烯的理论研究。但直到2004年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫利用石墨烯研制出了当时世界上最薄的材料，仅有一个原子厚，石墨烯这才被带入了大众视野（这两位科学家也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖）。

之后，科学家们一直试图将它与其他碳材料结合起来，设计出一种新型芯片，一种与现有半导体相比耗能更少、工作速度更快的芯片。

据中国天津大学和美国佐治亚理工学院的纳米科学家称，这一长期难以达成的成就现在可能接近实现。

央视对天大团队这一最新研究成果进行了报道

作为首个被发现可在室温下稳定存在的二维材料，石墨烯具有宽带光响应、高载流子迁移率、高热导率等特性，是制备体积更小、更节能且传输速度更快的电子元件的理想材料。

然而，石墨烯独特的狄拉克锥能带结构导致其“零带隙”的特性，即禁带宽度为零，无法在施加电场时以正确的比率实现打开和关闭，限制了石墨烯在半导体领域的应用和发展。“零带隙”特性也成为困扰石墨烯研究者数十年的难题。

马雷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。

具体而言，他们采用创新的准平衡退火方法，严格控制生长环境的温度、时间及气体流量，确保了碳原子在碳化硅衬底上能形成高度有序的结构，从而制备出超大单层单晶畴半导体外延石墨烯（SEG），即在碳化硅晶圆上外延石墨烯，使其与碳化硅发生化学键合，从而具备半导体特性。

该研究成果论文显示，这种石墨烯半导体的带隙为0.6 eV，室温电子迁移率超过5000 cm² V ⁻¹ S⁻¹，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，“这就像在砾石路上开车和在高速公路上开车一样。”研究人员比喻道。其电子能以更低的阻力移动，在电子学中意味着更快的计算能力，优于目前所有二维晶体至少一个数量级，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。

此外，该石墨烯半导体具有生长面积大、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。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，基本满足了当前的工业化应用需求。

从理论材料到实际应用

石墨烯半导体将不再是“神话”

科研团队指出，随着摩尔定律所预测的极限日益临近，这种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，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，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。

“对我们来说，我们现在就像过去的莱特兄弟一样，他们建造了一架可以在空中飞行300英尺的飞机。但怀疑者反问：‘火车和轮船已经很快了，为什么我们还要翱翔天际？’虽然如此，莱特兄弟还是坚持下来了，而我们所研究的石墨烯半导体，正是如此，这是一个可以带人们翻越大洋的技术。”研究团队的Walter de Heer如是说。

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。

此前几十年间，石墨烯都卡在“带隙”问题上，难以向石墨烯半导体迈进。马雷团队成功解决了“带隙”问题，让石墨烯能够像硅一样工作，这是实现石墨烯基电子产品的关键一步。

当然，半导体石墨烯距离实际应用可能还有很长的路要走。马雷估计，要完全实现半导体石墨烯的工业应用，可能还需要10到15年。

目前世界各国都在关注石墨烯的研究，包括欧盟、日本、韩国等都投入了很大精力进行相关研发。

我国在2012年就提出了重点发展石墨烯产业的策略，在政府资金和政策支持下，中国石墨烯产业逐渐形成，并不断取得新的突破，石墨烯超级电容、石墨烯电子器件以及石墨烯柔性膜等产品相继问世。

在国家大力支持和科研团队的不懈努力之下，相信有着“新材料之王”之称的石墨烯，未来将在半导体领域大放异彩。

参考资料：

天津大学官网：天津大学纳米中心半导体石墨烯研究取得新突破

环球时报：世界首个，意义重大！中美科研人员联合研制

第一财经：独家｜首个石墨烯制成的功能半导体问世，天津大学团队承担主要研究与攻关