世界上第一个石墨烯半导体的“石墨烯”究竟是什么？

1月4日消息，有媒体报道称有研究团队创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体（Functional Graphene Semiconductor）。

目前与该研究相关的论文《Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide》（《碳化硅上的超高迁移率半导体外延石墨烯》）已经成功发表在了《自然》杂志上，论文的共同第一作者赵健、纪佩璇、李雅奇、李睿四人以及其余多位署名作者主要来自中国天津大学研究团队，同时也有美国佐治亚理工学院教授沃尔特·德赫尔(Walter de Heer)带领的研究人员。

 

据了解，这项石墨烯半导体的研究是由天津大学团队作为主导完成的。该团队指导教师天津大学讲席教授、天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心执行主任马雷接受第一财经采访时表示，该研究以天津大学团队承担了主要的研究和攻关工作，并非网传由外国高校主导，文章的署名作者之一的沃尔特·德赫尔则是提点了研究方向。

石墨烯是什么

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，因其具有超薄（1毫米厚的鳞片石墨=300万片石墨烯）、超轻（动物毛发可以支撑起红枣大小的石墨烯气凝胶）、超强（完美石墨烯膜制作成保鲜膜盖在杯子上坐一头大象才能让其破裂）等性能，被称为“新材料之王”。

理论上看来，石墨烯是制备未来传输速度更快、体积更小、更节能的电子元件的理想材料，而且另一大优势是制备石墨烯的原料理论上可以无限供应。

但是，石墨烯没有合适的带隙，无法以正确的比率打开和关闭，导致不能在半导体领域直接应用，这也是石墨烯电子学中长期存在的问题。多年来，许多研究者尝试用各种方法来打开石墨烯的“带隙”，但是都未能制备出可行的基于石墨烯的功能半导体，会很大程度上损失材料的本征特性。

在行业内，石墨烯分为两种，一个叫石墨烯粉，一个叫石墨烯薄膜。石墨烯粉在我们圈里叫男石墨烯，石墨烯薄膜叫女石墨烯。男石墨烯比较糙，石墨烯薄膜能看透，但也看不明白，又精致，号称女石墨烯。不管是石墨烯粉底和石墨烯薄膜，它在下游的产业中，有它庞大的或者广泛的应用场景。

对于粉体而言，在复合材料的应用里面，在静电屏蔽这种塑料里面，静电屏蔽的应用里面，以及在储能电池里面的电极材料，以及导电剂的种种方面里面，还是淡化节能环保的产业里面，都有它一个深远的广泛应用。比如说科研上、甚至产业化上，都有这个应用。

对于石墨烯薄膜在晶体管、器件、集成电路相关的应用的科学研究，也是日益增长，涌现了非常多的这个科研成果。在产业化之路也在之上行走。

直到今天，这个问题才得以突破。天津大学的研究团队通过在碳化硅晶圆上外延石墨烯，即在碳化硅晶圆上生长单层石墨烯，使其与碳化硅发生化学键合，从而得到了半导体特性。

该团队表示，他们证明了单晶碳化硅衬底上的半导体外延石墨烯（Semiconducting Epigraphene，SEG）具有0.6 eV的带隙和5500 c㎡/V·S的室温电子迁移率（摘要中标注的是超过5000c㎡/V·S，2023年2月第一版论文则是4000 c㎡/V·S），比硅高出3倍，比其它二维半导体高20倍。

 

注释：外延石墨烯（Epigraphene）指的是在碳化硅晶体上自发形成的石墨烯，当硅在高温下从表面升华时导致富碳表面重结晶成石墨烯。

不过该项研究距离工业化落地还尚远。“我估计还要10到15年，才能真正能看到石墨烯半导体完全落地。”团队指导教师马雷指出，研究团队正在努力尝试让石墨烯半导体材料长在更大尺寸的碳化硅衬底上。

 

审核编辑：刘清