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功能性半導體石墨烯器件。 受訪者供圖

■本報記者 陳彬

自2004年英國曼徹斯特大學的兩位物理學家首次從石墨中分離出石墨烯以來，這種神奇的材料便因其在光學、電學、力學方面的優異特性，在諸多領域成為具有革命性的材料。特別是在微電子學領域，石墨烯被認為是人類從“硅時代”邁入“碳時代”的關鍵。

然而，要實現這一跨越卻并不容易，其間有諸多必須攻克的關鍵技術難點，石墨烯的“零帶隙”特點便是其一。

日前，天津大學天津納米顆粒與納米系統國際研究中心教授馬雷團隊發布在《自然》上的一篇論文宣告了該難題的最終解決。該成果被認為是開啟石墨烯芯片制造領域大門的“鑰匙”。

“零帶隙”阻礙人類進入“碳時代”

作為首個被發現可在室溫下穩定存在的二維材料，石墨烯有獨特的碳原子排布，并形成了特有的電子學特性。

接受《中國科學報》采訪時，馬雷表示，石墨烯因其獨特的能帶結構使電子具有極高的遷移率，這意味著電子可以快速移動。例如，典型的懸浮石墨烯具有高達200000cm2V-1s-1的遷移率，而單晶硅的遷移率只有1000cm2V-1s-1。這種高電子遷移率意味著更高的運行效率和運行速度。

除了高遷移率外，作為二維材料，石墨烯器件還具有高集成度和低功耗的特點。這些特點使石墨烯材料有望成為人類從“硅時代”邁入“碳時代”的核心材料。

然而，正是由于“零帶隙”的特性，石墨烯目前仍然無法應用于大規模數字電路器件制造。

所謂帶隙，就是存在于兩個能帶之間的間隙。帶隙的存在是實現良好開關比的關鍵，這樣才能有效控制電流的開啟或關閉。

從這個角度來看，可以將“帶隙”比喻成安裝在石墨烯上的一種“開關”。當有這個“開關”時，石墨烯展現出半導體特性，因此能有效完成數字電路功能。當沒有這個“開關”時，石墨烯一直處于“打開”的狀態，表現出金屬性質，無法用于數字電路器件制造。

遺憾的是，盡管人類已經成功制備出各種類型的石墨烯，但目前沒有一種既具有高遷移率又具有帶隙的石墨烯。因此，尋找具備這種自帶“開關”功能的高遷移率石墨烯，成為解決石墨烯在微電子領域應用問題的關鍵。

被找到的“針”

馬雷團隊解決這個難題的做法，聽起來并不復雜。

“簡單地說，我們選擇不同的碳化硅晶面作為襯底，供石墨烯在其上‘生長’，在此過程中對石墨烯生長的溫度、時間及氣體流量等條件進行精密調控，確保碳原子在碳化硅襯底上形成高度有序的結構。”馬雷說。

他表示，石墨烯對外界的變化非常敏感。生長的“襯底”不同，產生的石墨烯的性質也不同。也正因如此，找到能夠滿足科研人員預期特性的石墨烯非常具有挑戰性，無異于大海撈針。

好在，這根“針”最終被馬雷團隊“撈”到了。

該團隊研發的半導體石墨烯擁有約0.6電子伏的帶隙以及高達5500cm2V-1s-1的室溫遷移率，優于目前所有已知的二維半導體至少一個數量級。同時，以該材料制備的場效應晶體管，擁有高達104的開關比。

據介紹，一個用來實現基本邏輯關系的電路，通常由“零”和“一”兩種狀態組成。然而，為了確保數字信息的正常傳輸和操控，必須清晰區分這兩種狀態。如果“零”和“一”之間的區別不明顯，數字信息就容易混淆。為此，科學家引用“開關比”來度量“零”和“一”，開關比的數值越大，表示兩者之間的區分度越高，混淆的可能性越小。

該團隊成員表示，此前曾有人通過化學合成方式，得到過具有帶隙的石墨烯納米帶，但這種方式獲得的石墨烯很難用于器件制造，更不具備半導體石墨烯所具有的高遷移率。

“總體而言，這種材料展現的特性符合當前工業應用的需求。特別是其在室溫下的電子遷移率可以達到硅材料的10倍，因此在電子學器件的應用中有望展現出卓越的性能。”馬雷說。

此外，在制備該半導體石墨烯時，團隊創新性地采用了準平衡退火方法。該方法制備的單層單晶半導體外延石墨烯具有生長面積大、均勻性高、工藝流程簡單、成本低廉等特點。

讓“小帆船”長成“大航母”

長期以來，硅一直是現代電子產品的核心材料。然而，隨著人們對算力需求的飛速增長，加之硅電子學性能提升空間有限，人們慢慢認識到，硅材料的發展已經逼近其物理極限。

有觀點認為，作為信息發展中黃金規則的摩爾定律，正逐漸失去其指導作用。在這樣的背景下，半導體石墨烯的誕生無疑為整個半導體行業帶來了新曙光。

目前，天津大學團隊正致力于實現一個更大的目標——迅速實現從毫米級單晶到英寸級單晶半導體外延石墨烯晶圓的技術跨越。

“如果我們能夠生產出1英寸大小的單晶半導體石墨烯晶圓，就可以將其直接用于碳基集成電路的制造。”馬雷說，這一目標的實現并非易事，就好比使一艘小帆船進化成一艘龐大的航空母艦。而該目標一旦實現，人類有望從此邁入碳基電子學時代。

“最初的計算機體積龐大，占滿整個房間，但是其所具備的功能甚至不能與現在一個簡單的計算器相媲美；上世紀90年代的‘386’和‘486’臺式計算機，其運算速度甚至遠不及目前最低端的筆記本電腦。隨著半導體石墨烯逐步登上下一代集成電路制造的舞臺，未來的筆記本電腦在運算速度上有望大幅超越今天的高性能計算機。”該團隊表示，他們正在全力以赴，以期加快這一天的到來。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0