中外科學家用石墨烯制成世界首個功能半導體，石墨烯半導體的電子遷移率是硅的10倍。

中外科學家用石墨烯制成了世界首個功能半導體，石墨烯半導體的電子遷移率是硅的10倍。這種新型半導體可用于制造更小更快的電子設備，抑或用于量子計算。相關研究當?shù)貢r間1月3日發(fā)布在《自然》雜志上。

半導體是在特定條件下導電的材料，是電子設備的基本部件。而石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構材料，只有一個碳原子厚度，屬于二維材料。石墨烯在自然形態(tài)下既非半導體也非金屬。

美國佐治亞理工學院物理學教授瓦爾特·德希爾（Walter de Heer）領導的研究小組開發(fā)了一種石墨烯半導體。這種半導體與傳統(tǒng)的微電子加工方法兼容，這也是替代硅的必要條件。

瓦爾特·德希爾在職業(yè)生涯早期就開始探索碳基材料的半導體潛力，2001年轉向石墨烯研究。他表示，石墨烯是一種非常堅固的材料，可處理非常大的電流，他希望將石墨烯的特性引入電子學。

研究團隊生產了一種生長在碳化硅晶體表面的單晶石墨烯，也就是外延石墨烯。他們發(fā)現(xiàn)，當制作得當時，外延石墨烯與碳化硅產生化學鍵合，并顯示半導體特性。在接下來的十年里，他們在佐治亞理工學院完善這種材料，后來又與天津大學天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心合作。

研究人員把原子放在石墨烯上，通過摻雜電子來觀察材料是否為良導體。測量發(fā)現(xiàn)，石墨烯半導體的電子遷移率是硅的10倍，也就是說，電子以非常低的電阻移動，這在電子學中意味著更快的計算速度。“這就像在礫石路上開車和在高速公路上開車一樣。”瓦爾特·德希爾表示。

“帶隙”是允許半導體開關的關鍵電子特性，當施加電場時它可以打開或關閉，這也是所有晶體管和硅電子的工作原理。石墨烯缺乏固有帶隙，石墨烯電子學研究的主要問題是如何打開和關閉它，使它能像硅一樣工作。天津大學天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心教授、論文合著者馬雷表示，團隊的技術實現(xiàn)了帶隙，這也是實現(xiàn)石墨烯電子學的關鍵一步。

佐治亞理工學院表示，該團隊研發(fā)的石墨烯半導體是目前用于納米電子學時唯一具備所有必要特性的二維半導體，其電學特性遠優(yōu)于目前正在開發(fā)的其他任何二維半導體。外延石墨烯或導致電子學領域的范式轉變，這種材料可以利用電子的量子力學波動特性，這也是量子計算的必要條件。

被譽為“石墨烯之父”的諾貝爾物理學獎得主安德烈·蓋姆（Andre Geim）2022年時曾對澎湃科技（www.thepaper.cn）表示，石墨烯是一大類材料的“昵稱”，這些材料在不同行業(yè)都有潛力，例如石墨烯被譽為推動電子工業(yè)發(fā)展的新材料。現(xiàn)在，人們相信在電子工業(yè)的某些領域，這種材料比硅要更有優(yōu)勢。“雖然目前似乎沒有任何革命性的應用，但在未來，通過不斷改進，將進一步提高產品質量從而實現(xiàn)革命性應用……但我們仍然需要等10年甚至20年。”