石墨烯，半导体的“野心家”
石墨烯，半导体的“野心家”
石墨烯，这种由单层碳原子构成的二维材料，因其卓越的电学性能和机械性能而被誉为“新材料之王”。近年来，随着半导体技术的发展，石墨烯在半导体领域的应用前景备受关注。近日，《自然》杂志发表了一项来自天津大学的研究成果，该研究成功制备出高迁移率半导体外延石墨烯，其性能是硅的10倍。这一突破不仅解决了困扰石墨烯研究者数十年的零带隙难题，也为未来半导体技术的发展开辟了新的方向。
石墨烯：半导体界的“野心家”
碳元素是人类接触得最早的元素之一，也是人类利用得最早的元素之一。作为碳的同素异形体之一的石墨，已被人们熟知与研究多年。石墨烯是单层石墨，它的碳原子排列和石墨的单原子层雷同，是碳原子以 sp2 杂化轨道组成六角形，呈蜂巢晶格 (honeycomb crystal lattice) 排列的单层二维晶体。
从理论来讲，人们研究石墨烯已经有70多年了，但因为 Landau、Peierls 等研究者指出二维晶体是热力学不稳定，不能单独存在的，石墨烯一直被视为一种理论上的材料。不过，在2004年，石墨烯在室温中被制备出来，掀起了石墨烯研究的热潮。
石墨烯在半导体界备受关注，主要源于其三大优势：
高迁移率：石墨烯的迁移率是硅的10倍以上，这意味着石墨烯半导体可以制造出更快、更节能的电子器件，例如晶体管、传感器、显示屏等。典型的悬浮石墨烯具有高达200000cm2V-1s-1的迁移率，而单晶硅的迁移率只有1000cm2V-1s-1。
高稳定性：石墨烯是由单层碳原子构成的平面结构，它的原子间距和键角都是最优化的，因此它具有很强的力学强度和热稳定性。石墨烯可以在极端的温度、压力和电场下保持其性能，而不会像硅那样受到损坏或噪声的影响。
高灵活性：石墨烯是一种二维材料，它的厚度只有0.34纳米，相当于硅的1/300，这使得它可以轻松地弯曲、折叠、拉伸，甚至卷成管状或球状。石墨烯半导体可以适应各种复杂的形状和表面，为制造柔性电子、可穿戴设备、生物医疗等领域提供了巨大的潜力。
然而，石墨烯作为半导体还存在一个关键问题：它是零带隙材料。零带隙是指禁带宽度为零，这使得石墨烯无法充分实现逻辑电路必须的晶体管“关断（Switch Off）”功能。因此，突破零带隙成为石墨烯研究者面临的重大挑战。
突破零带隙：马雷教授团队的创新
天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心马雷教授团队在这一领域取得了重要突破。他们通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功地在石墨烯中引入了带隙，创造了一种新型稳定的半导体石墨烯。这项技术通过对生长环境的温度、时间及气体流量进行严格控制，确保了碳原子在碳化硅衬底上能形成高度有序的结构。
马雷表示：“半导体石墨烯在常温下具有超过硅材料十倍的迁移率的同时，拥有0.6 eV的带隙。它是一个真正意义上的单晶石墨烯半导体。”
具体来说，研究团队采用准平衡退火方法，制备出超大单层单晶畴半导体外延石墨烯。这种方式具有生长面积大、均匀性高、工艺流程简单、成本低廉等优点，且室温迁移率优于目前所有单层晶体至少一个数量级。
在此之前，科研人员也尝试过其他方法来为石墨烯引入带隙。例如，通过构造石墨烯纳米带，当宽度小于10nm时，可以利用量子效应和边缘效应来打开能带带隙。2008年，英国研究人员制备出仅一个原子厚几纳米宽的石墨烯量子点器件，这种尺度下石墨烯存在约0.5eV的禁带宽度，且器件仍然能保持较好的导电性。另一种方法是通过引入具有非零禁带的物质作为势垒，构造异质结来间接产生禁带。
国际竞争格局
面对这一具有巨大潜力的新材料，各国纷纷布局石墨烯研究。美国、欧盟、韩国、日本等国家和地区都在积极投入资源，抢占技术制高点。
美国较早开始探索石墨烯电子技术。从2006年开始，美国国家科学基金会设立了众多碳基电子基础研究项目，涵盖了碳基电子研究和应用的各个领域。2008年，美国高级计划研究局投资2200万元开发碳电子射频应用项目，用于开发新款石墨烯晶体管。2011年，IBM制备出具有155GHz超高截止频率的新一代石墨烯晶体管。
欧洲在石墨烯研究方面也不甘落后。2013年1月，欧盟委员会将“石墨烯旗舰计划”列为首批“未来新兴技术旗舰项目”之一，投资预算达10亿欧元。其中，“二维实验试验线（2D-EPL）”项目旨在成为首家将石墨烯和层状材料集成到半导体平台的石墨烯晶圆厂，推动创新技术从实验室走向规模化生产和商业化落地。
日本的研究始于2000年代，日本学术振兴机构从2007年起开始对石墨烯相关材料、器件技术进行资助。2019年，日本宣布精确合成出“石墨烯纳米带”，制作的GNR宽约2纳米，相当于17个原子，带隙仅0.6eV左右，表现出优异的半导体性质。
韩国在石墨烯领域也有重要布局。三星电子是石墨烯领域的先驱之一，早在2014年就实现了石墨烯的商业化生产。目前，三星在石墨烯领域拥有220多个专利，数量是其他上市公司的两倍以上。
展望未来
传统硅基集成电路产业赖以生存的摩尔定律日益逼近物理极限，带来产学界对于集成电路产业未来发展的担忧。石墨烯因具备优异的电学特性、导热性等优势，被视为有望取代硅基材料的后备材料之一。
在2016年时，曾获2010年诺贝尔物理学奖的K. S. Novoselo展望过，认为2020年后石墨烯晶体管也许可以代替硅技术。现在看来，这一目标虽然仍面临诸多挑战，但随着科研人员的不懈努力，石墨烯在半导体领域的应用前景值得期待。
正如文章所言：“道阻且长，行则将至。”在各国科研团队的共同努力下，石墨烯有望在未来为半导体技术带来革命性的突破。