天津大学 2024首篇 Nature 半导体石墨烯新突破！-石墨烯产业专题

天津大学 2024首篇 Nature 半导体石墨烯新突破！

时间:2024-01-05 作者: 来源:材料牛（石墨烯）

近年来，传统硅基材料的发展已逐渐接近摩尔定律的极限。为了进一步提高材料性能，亟需寻找新的材料或者采用创新的制备方法。例如，考虑采用二维材料、有机材料或新型合金等替代传统硅基材料，以期在性能上实现更大的突破。作为最具代表性的二维材料之一，石墨烯因其卓越的性能长期受到学术界的青睐。尽管石墨烯以其独特的狄拉克锥能带结构而备受瞩目，但这种结构导致了无带隙的特性，限制了其在逻辑电路中的应用潜力。因此，在石墨烯的研究和开发领域，寻找和实施有效调制石墨烯带隙结构的策略，已成为一个至关重要的科学挑战。

当前，实现石墨烯带隙打开的策略涵盖了栅压调控、化学修饰、缺陷工程及外部场效应调控等多种外部干预手段。然而，这些方法在技术执行层面面临重大挑战，且难以确保在大规模生产环境下的重复性与均一性。这些问题显著阻碍了基于石墨烯的半导体材料及其器件在工业领域的应用和推广。

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。该团队的研究成果以“Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”为题，已于2023年10月31日在Nature杂志上被接收，并于2024年1月3日在该杂志网站上发布。

本工作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。

天津大学博士生赵健、博士生纪佩璇、硕士生李雅奇、博士生李睿为共同一作，天津大学马雷教授作为本文的通讯作者，佐治亚理工学院的Walt A. de Heer教授作为共同通讯作者，天津大学为第一单位。天津大学学生：张凯敏、田昊、于凯丞、边博岳、郝路珍和肖雪共同参与了此项研究工作。