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從“0”到“1”的突破！中美聯(lián)合團隊制成世界首個功能性石墨烯半導(dǎo)體

2024-01-09 14:33:56來源：化工儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：石墨烯閱讀量：1033

導(dǎo)讀：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。

　　石墨烯是碳的同素異形體，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認為是一種未來革命性的材料。石墨烯是一種極好的導(dǎo)電體，并且耐熱、耐酸，且在電勢方面具有比硅更強大的優(yōu)勢，科學(xué)家們一直試圖將它與其他碳材料結(jié)合起來，設(shè)計出一種與現(xiàn)有半導(dǎo)體相比耗能更少、工作速度更快的新型芯片。

　　然而，石墨烯獨特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了零帶隙的特性。“零帶隙”特性正是困擾石墨烯研究者數(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)教授馬雷聯(lián)合美國佐治亞理工學(xué)院Walter de Heer團隊，在保證石墨烯優(yōu)良特性的前提下，打開了石墨烯帶隙，首次制成了可擴展的半導(dǎo)體石墨烯，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。研究團隊實現(xiàn)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(lǐng)域大門的重要里程碑。這可能為制造比現(xiàn)在的硅芯片速度更快、效率更高的新型計算機鋪平道路。

　　研究人員通過在石墨烯中引入帶隙，展示了一種可以控制電流開關(guān)的晶體管。由于該技術(shù)與制造硅芯片的技術(shù)相同，因此該工藝或更有利于擴大規(guī)模。研究人員使用了加熱的碳化硅晶片，使硅在碳之前蒸發(fā)，有效地在表面留下一層石墨烯。這種半導(dǎo)體石墨烯的電子遷移率遠超硅材料，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特性質(zhì)。研究人員表示“這就像在礫石路上開車和在高速公路上開車一樣。”

　　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，還為整個半導(dǎo)體行業(yè)注入了新動力。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，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算速度和微型化集成電子器件不斷增長的需求。

　　相關(guān)研究成果論文《Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide(碳化硅上生長的超高遷移率半導(dǎo)體外延石墨烯)》1月3日在線發(fā)表于國際期刊《Nature(自然)》。

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