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 近期召開的“全球IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）國際芯片導線技術會議”上，IMEC（歐洲微電子研究中心）提出了四種延續(xù)摩爾定律、打破2nm芯片物理極限的方法。這幾種方法無一不是建立在了使用“石墨烯材料”的基礎之上。經(jīng)過討論，專家組最終達成一致，將石墨烯定位下一代新型半導體材料，將碳基芯片定義為下一個芯片時代的主流。

以石墨烯為代表的碳基二維材料自發(fā)現(xiàn)以來受到了廣泛關注。然而，石墨烯的零帶隙半導體性質(zhì)嚴重限制了其在微電子器件領域的應用。

針對該情況，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究人員等自2013年開展新型碳基二維半導體材料的制備研究，2014年1月成功制備了由碳和氮原子構成的類石墨烯蜂窩狀無孔有序結構半導體C3N單層材料，并發(fā)現(xiàn)該材料在電子注入后產(chǎn)生的鐵磁長程序。

C3N晶格結構及氫化后鐵磁長程序

從結構圖可以看出原本C原子構成的六邊形全部被N原子分隔開。C3N的成功合成彌補了石墨烯無帶隙的缺憾，為碳基納米材料在微電子器件的應用提供了新的選擇，并引起廣泛關注。

研究人員于2016年初步實現(xiàn)AA'及AB'堆垛雙層C3N的制備。在此基礎上，他們與華東師范大學研究員袁清紅團隊通過近5年努力，借助實驗技術與理論研究，在雙層C3N的帶隙性質(zhì)、輸運性質(zhì)等研究領域取得突破，進一步證明雙層C3N在納米電子學等領域的重要應用潛力。該工作證明了通過控制堆垛方式實現(xiàn)雙層C3N從半導體到金屬性轉變的可行性。與本征帶隙為1.23 eV的單層C3N相比，雙層C3N的帶隙大致可以分為三種：接近金屬性的AA和AA'堆垛、帶隙比單層減少將近30%的AB和AB'堆垛、與單層帶隙相近的雙層摩爾堆垛。

AA'（a-c）及AB'（d-f）堆垛雙層C3N的HAADF-STEM圖像

上述工作是C3N材料實驗與理論研究的重要突破，為進一步構建新型全碳微電子器件提供了支撐。然而，相比于目前研究已經(jīng)比較成熟的石墨烯，C3N的研究起步較晚，該材料的基本物性研究仍有大量空白有待填補。