天津大学研发半导体表观石墨烯，或为信息技术带来革命性突破

天津大学研发半导体表观石墨烯，或为信息技术带来革命性突破

2024年1月，天津大学与佐治亚理工学院联合研究团队在Nature杂志上发表了一项突破性研究成果：他们成功开发出一种新型半导体材料——半导体表观石墨烯（Semiconductor Epitaxial Graphene，简称SEG）。这一突破不仅解决了石墨烯在半导体应用中长期存在的带隙问题，还为信息技术的未来发展开辟了新的可能性。

石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维材料，具有极高的电子迁移率、优异的导热性和卓越的机械强度。然而，石墨烯在半导体应用中面临一个核心挑战：它是一种半金属材料，缺乏带隙（band gap）。带隙是半导体材料的关键特性，决定了材料能否通过电场控制电流的“开”和“关”，这是晶体管等电子器件工作的基础。

研究团队通过在单晶碳化硅（SiC）衬底上生长石墨烯，成功制备了半导体表观石墨烯（SEG）。具体来说，他们使用了一种称为“限制控制升华”（Controlled-Constraint Sublimation，简称CCS）的技术，在氩气气氛下对SiC芯片进行退火处理。通过精确控制温度和硅的蒸发速率，研究人员在SiC表面形成了高质量的石墨烯薄膜。

这一过程的关键在于控制石墨烯与SiC基底之间的相互作用。研究团队发现，当石墨烯与SiC表面形成特定的化学键合时，可以诱导出类似于半导体的带隙。经过优化的生长条件，SEG材料展现出约0.6电子伏特（eV）的带隙，这一数值接近锗（Ge）的带隙（0.65 eV），远小于传统SiC的带隙（3 eV）。

SEG材料不仅成功解决了带隙问题，还保留了石墨烯原有的高迁移率特性。实验结果显示，SEG的室温迁移率超过5000平方厘米每伏秒（cm²/Vs），这一数值是硅（Si）的10倍，更是其他二维半导体材料的20倍以上。高迁移率意味着电子可以在材料中以更低的电阻快速移动，从而实现更快的计算速度和更低的能耗。

这一突破性进展有望为信息技术领域带来深远影响。首先，SEG材料的高迁移率和带隙特性使其成为制造超快电子设备的理想选择。在未来的高性能计算、5G通信和物联网设备中，SEG有望替代部分传统硅基器件，实现更高的数据处理速度和更低的功耗。

其次，SEG材料的独特性质还为量子计算的发展提供了新的可能性。石墨烯的二维结构和优异的电子性能使其成为实现量子比特（qubit）的理想平台。随着SEG技术的进一步发展，未来可能会出现基于石墨烯的量子计算机，为计算能力带来革命性的提升。

值得注意的是，SEG材料并非旨在完全取代硅，而是作为现有技术的补充。在可预见的未来，硅基技术仍将在许多应用领域占据主导地位。SEG的优势在于其在特定高性能应用中的潜力，特别是在需要高速度、低功耗和小型化器件的场景中。

尽管SEG材料展现出巨大的潜力，但要实现其大规模应用仍面临一些挑战。例如，如何在保持材料性能的同时实现大规模生产，如何开发与现有半导体制造工艺兼容的集成方案等。研究团队表示，下一步将重点攻克这些问题，推动SEG技术从实验室走向产业化。

天津大学纳米颗粒与纳米系统国际研究中心主任马雷教授表示：“石墨烯电子学长期存在的问题，就是石墨烯没有正确的带隙，无法以正确的比例打开和关闭。我们的技术实现了带隙，这是实现石墨烯基电子产品最关键的一步。”

这一突破性研究无疑为信息技术的发展注入了新的活力。正如佐治亚理工学院物理学教授Walter de Heer所说，这可能是信息技术领域的一个“莱特兄弟时刻”——虽然目前的技术还处于初期阶段，但它预示着一个全新的技术时代的到来。随着研究的深入和应用的拓展，半导体表观石墨烯有望成为推动信息技术进步的重要力量。