主題：首個(gè)石墨烯制成的功能半導(dǎo)體問世 天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)主要研究與攻關(guān)


2024年01月04日 17:41 來源： 第一財(cái)經(jīng)

　　1月4日，二級市場石墨烯概念股異動，德爾未來（002631.SZ）早盤期間漲幅一度逼近10%。截至全天收盤，該公司股價(jià)報(bào)6.47元/股，漲幅6.07%。

　　消息面上，有媒體報(bào)道稱有研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了世界上第一個(gè)由石墨烯制成的功能半導(dǎo)體，相關(guān)論文發(fā)表在權(quán)威期刊Nature雜志上。

　　第一財(cái)經(jīng)記者在檢索Nature網(wǎng)站后發(fā)現(xiàn)，上述報(bào)道所述論文名為“Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”（《碳化硅上的超高遷移率半導(dǎo)體外延石墨烯》），論文的共同第一作者趙健、紀(jì)佩璇、李雅奇、李睿四人以及其余多位署名作者主要來自中國天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，同時(shí)也有美國佐治亞理工學(xué)院的研究人員。


　　第一財(cái)經(jīng)記者隨后獨(dú)家聯(lián)系了該團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)教師天津大學(xué)講席教授，天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心執(zhí)行主任馬雷向第一財(cái)經(jīng)記者指出，該研究以天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)為主導(dǎo)，并非網(wǎng)傳由外國高校主導(dǎo)?！笆俏?guī)е覀儗W(xué)生做的?！?馬雷指出。

　　馬雷告訴記者，該研究成果發(fā)現(xiàn)于2021年下半年，上述論文成文于2022年。研究由文章的署名作者之一 Walt A. de Heer提點(diǎn)研究方向，馬雷帶領(lǐng)的中國研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了主要的研究和攻關(guān)工作?！斑@在論文的‘Contribution’部分已經(jīng)寫得很清楚?！彼硎?。

　　他同時(shí)告訴記者，這應(yīng)該是第一個(gè)石墨烯制成的功能半導(dǎo)體。

　　那么，震動二級市場和科研界的石墨烯半導(dǎo)體究竟為何物？該研究為何能夠引發(fā)多方關(guān)注？

　　根據(jù)論文摘要，馬雷研究團(tuán)隊(duì)使用特殊熔爐在由有機(jī)薄膜覆蓋的碳化硅晶圓上生長石墨烯時(shí)生產(chǎn)了大面積單晶類石墨烯材料，這是一種在碳化硅晶面上生長的物質(zhì)，結(jié)構(gòu)外延石墨烯幾乎一樣但是沒有較好的導(dǎo)電性。研究發(fā)現(xiàn)，這是典型的半導(dǎo)體特性即所謂的半導(dǎo)體石墨烯。測量表明，它在室溫具有硅的10倍以上的遷移率。

　　產(chǎn)界和學(xué)界各方當(dāng)前都在尋找替代硅的半導(dǎo)體制造材料。因?yàn)殡S著摩爾定律走向極限，傳統(tǒng)硅材料在晶體管的制造上遇到了瓶頸，現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅材料尺寸小于10納米時(shí)，用它制造出的晶體管穩(wěn)定性會變差。

　　2004年，英國曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫利用石墨烯研制出了當(dāng)時(shí)世界上最薄的材料，僅有一個(gè)原子厚。這項(xiàng)研究將石墨烯帶進(jìn)了大眾的視野，也將二位科學(xué)家送上了2010年諾貝爾物理學(xué)獎的領(lǐng)獎臺。不過人們逐漸發(fā)現(xiàn)，石墨烯這種材料沒有帶隙，因此它的開關(guān)比非常低，很難呈現(xiàn)出半導(dǎo)體的特性，難以用于數(shù)字電路的制造。

　　電子學(xué)依賴于使用由半導(dǎo)體材料制成的開關(guān)設(shè)備，其中可以控制電流，理想情況下可以控制單個(gè)電荷的運(yùn)動。而半導(dǎo)體之所以能做到這一點(diǎn)，是因?yàn)槠潆娮拥脑试S能量在低能帶和高能帶之間留下了間隙，電子可以被激發(fā)穿過這個(gè)“帶隙”。具有不同大小帶隙的材料可以具有互補(bǔ)功能，例如執(zhí)行邏輯運(yùn)算、供電或充當(dāng)傳感器。在過去的二十年里，人們一直試圖通過量子限制或化學(xué)功能化來改變帶隙，但都未能制備出可行的半導(dǎo)體石墨烯。

　　“做石墨烯的人一直想開帶隙，但是傳統(tǒng)開帶隙有個(gè)大問題，就是會很大程度上損失材料的本征特性。而我們的研究相當(dāng)于是石墨烯電子學(xué)走向?qū)嵱没淖詈笠粋€(gè)關(guān)口，就是怎么樣在保證材料高遷移率的前提下同時(shí)又開出了帶隙。”馬雷解釋。

　　“我們的這項(xiàng)研究之所以受到重視，是因?yàn)樗鼘ξ磥硎╇娮訉W(xué)真正走向?qū)嵱没岬袅俗畲蟮氖^。”馬雷說。

　　馬雷團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅從碳化硅晶體表面蒸發(fā)時(shí)，富碳表面會結(jié)晶產(chǎn)生石墨烯多層膜。在碳化硅的硅端面形成的第一個(gè)石墨層是與碳化硅表面部分共價(jià)鍵合的絕緣外石墨烯層。對這一緩沖層的光譜測量顯示出半導(dǎo)體特征 ，但由于無序，該層的遷移率受到限制。

　　該團(tuán)隊(duì)繼而使用了一種準(zhǔn)平衡退火方法，它能在宏觀原子平階上產(chǎn)生了一個(gè)有序的緩沖層（SEG）。該層的晶格與碳化硅基底對齊，它具有化學(xué)、機(jī)械和熱穩(wěn)定性，可使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造技術(shù)進(jìn)行圖案化并與半金屬外延石墨烯無縫連接。這些基本特性使 SEG 適用于納米電子學(xué)。

　　對于石墨烯半導(dǎo)體的應(yīng)用價(jià)值，馬雷告訴記者用這種材料如果投入工業(yè)應(yīng)用，在成本基本可比擬現(xiàn)在市面上的半導(dǎo)體制造材料而在性能上則將更加優(yōu)越。

　　不過該項(xiàng)研究距離工業(yè)化落地還尚遠(yuǎn)?！拔夜烙?jì)還要10到15年，才能真正能看到石墨烯半導(dǎo)體完全落地?！瘪R雷指出。記者了解到，當(dāng)前馬雷和他的團(tuán)隊(duì)正在努力嘗試讓石墨烯半導(dǎo)體材料長在更大尺寸的碳化硅襯底上。

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