天津大學納米中心半導體石墨烯研究取得新突破

天津大學天津納米顆粒與納米系統國際研究中心（簡稱：納米中心）的馬雷教授及其科研團隊，日前在半導體石墨烯領域取得了顯著進展。該團隊的研究成果《碳化硅上生長的超高遷移率半導體外延石墨烯》（Ultra-high mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide），成功地攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學發展的關鍵技術難題，打開了石墨烯帶隙，實現了從“0”到“1”的突破，這一突破被認為是開啟石墨烯芯片制造領域大門的重要里程碑。該項成果已于2024年1月3日在《自然》（Nature）雜志網站上在線發布。

　　石墨烯，作為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，成為開啟“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硅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硅材料，表現出了十倍于硅的性能，并且擁有硅材料所不具備的獨特性質。該項研究實現了三方面技術革新，首先，采用創新的準平衡退火方法，該方法制備的超大單層單晶疇半導體外延石墨烯（SEG），具有生長面積大、均勻性高，工藝流程簡單、成本低廉等優勢，彌補了傳統生產工藝的不足；第二，該方法制備的半導體石墨烯，擁有約600 meV帶隙以及高達5500 cm2V-1s-1的室溫霍爾遷移率，優于目前所有二維晶體至少一個數量級；最后，以該半導體外延石墨烯制備的場效應晶體管開關比高達104，基本滿足了現在的工業化應用需求。

　　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為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為超越傳統硅基技術的高性能電子器件開辟了新道路，還為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月正式掛牌成立，中心執行主任為馬雷教授。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臺，為祖國培養銳意進取敢為人先、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。