天津大學(xué)納米中心半導(dǎo)體石墨烯研究取得新突破

天津大學(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心（簡稱：納米中心）的馬雷教授及其科研團(tuán)隊(duì)，日前在半導(dǎo)體石墨烯領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)的研究成果《碳化硅上生長的超高遷移率半導(dǎo)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(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，打開了石墨烯帶隙，實(shí)現(xiàn)了從“0”到“1”的突破，這一突破被認(rèn)為是開啟石墨烯芯片制造領(lǐng)域大門的重要里程碑。該項(xiàng)成果已于2024年1月3日在《自然》（Nature）雜志網(wǎng)站上在線發(fā)布。

　　石墨烯，作為首個(gè)被發(fā)現(xiàn)可在室溫下穩(wěn)定存在的二維材料，其獨(dú)特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了零帶隙的特性?！傲銕丁碧匦哉抢_石墨烯研究者數(shù)十年的難題。如何打開帶隙，成為開啟“石墨烯電子學(xué)”大門的“關(guān)鍵鑰匙”。

　　天津大學(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心的馬雷教授研究團(tuán)隊(duì)通過對外延石墨烯生長過程的精確調(diào)控，成功地在石墨烯中引入了帶隙，創(chuàng)造了一種新型穩(wěn)定的半導(dǎo)體石墨烯。這項(xiàng)前沿科技通過對生長環(huán)境的溫度、時(shí)間及氣體流量進(jìn)行嚴(yán)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(jié)構(gòu)。這種半導(dǎo)體石墨烯的電子遷移率遠(yuǎn)超硅材料，表現(xiàn)出了十倍于硅的性能，并且擁有硅材料所不具備的獨(dú)特性質(zhì)。該項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了三方面技術(shù)革新，首先，采用創(chuàng)新的準(zhǔn)平衡退火方法，該方法制備的超大單層單晶疇半導(dǎo)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(yōu)勢，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的不足；第二，該方法制備的半導(dǎo)體石墨烯，擁有約600 meV帶隙以及高達(dá)5500 cm2V-1s-1的室溫霍爾遷移率，優(yōu)于目前所有二維晶體至少一個(gè)數(shù)量級；最后，以該半導(dǎo)體外延石墨烯制備的場效應(yīng)晶體管開關(guān)比高達(dá)104，基本滿足了現(xiàn)在的工業(yè)化應(yīng)用需求。

　　在本次天津大學(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心的突破性研究中，具有帶隙的半導(dǎo)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(dǎo)體的發(fā)展不僅為超越傳統(tǒng)硅基技術(shù)的高性能電子器件開辟了新道路，還為整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)注入了新動(dòng)力。隨著摩爾定律所預(yù)測的極限日益臨近，半導(dǎo)體石墨烯的出現(xiàn)恰逢其時(shí)，預(yù)示著電子學(xué)領(lǐng)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(jì)算速度和微型化集成電子器件不斷增長的需求。

　　天津大學(xué)天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心于2018年7月正式掛牌成立，中心執(zhí)行主任為馬雷教授。中心依托天津大學(xué)深厚的學(xué)術(shù)底蘊(yùn)和多學(xué)科的綜合優(yōu)勢，致力于營造國際化的學(xué)術(shù)創(chuàng)新環(huán)境，建成石墨烯電子學(xué)與團(tuán)簇物理學(xué)領(lǐng)域世界一流的國際化研究平臺(tái)，為祖國培養(yǎng)銳意進(jìn)取敢為人先、具有科研創(chuàng)新精神的研究型人才，服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求，取得國際一流的研究成果。