天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心（以下简称纳米中心）的马雷教授及其科研团队，近日在半导体石墨烯领域取得了显著进展，攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题，打开了石墨烯带隙。这一突破被认为是开启石墨烯芯片制造领域“大门”的重要里程碑。该项成果以《碳化硅上生长的超高迁移率半导体外延石墨烯》为题在线发布于1月3日的国际顶尖科学期刊《自然》上。
石墨烯是首个被发现可在室温下稳定存在的二维材料，其零带隙的特性是困扰石墨烯研究者已达数十年的难题。打开带隙，成为开启石墨烯电子学“大门”的“钥匙”。
马雷团队通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功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。这项前沿科技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。这种半导体石墨烯的电子迁移率远超硅材料，表现出了10倍于硅的性能，并且拥有硅材料所不具备的独特性质。
该项研究实现了三方面技术革新：首先，采用创新的准平衡退火方法，该方法制备的超大单层单晶畴半导体外延石墨烯，具有生长面积大、均匀性高、工艺流程简单、成本低廉等优势，弥补了传统生产工艺的不足；其次，该方法制备的半导体石墨烯，优于目前所有二维晶体至少一个数量级；此外，以该半导体外延石墨烯制备的场效应晶体管开关比高达10的4次方，基本满足了现在的工业化应用需求。
在这项突破性研究中，具有带隙的半导体石墨烯为高性能电子器件带来了全新的材料选择。这种半导体的发展不仅为超越传统硅基技术的高性能电子器件开辟了新道路，还为整个半导体行业注入了新动力，预示着电子学领域即将迎来一场根本性变革，其突破性的属性满足了对更高计算速度和微型化集成电子器件不断增长的需求。
记者采访马雷时，他刚从新疆出差回来，回到学校便直奔实验室指导学生。实验室中，学生们井然有序地做着切割、磨抛、微加工。“咱们现在看到的这些工序，是全部由我们团队搭建起来的一整条生产线，实验设备也是我们自主研发的。”马雷告诉记者，这次的突破性成果意味着我国在电子元器件的未来市场竞争中占据了优势地位，下一步还要往实现石墨烯数字集成电路方面努力。“就像立在纳米中心门口的座右铭‘细推物理须行乐，何为浮名绊此身’，我们要在科学研究的乐趣中求新求变，让技术早日服务于国家、服务于社会。”马雷说。
