石墨烯是碳的同素異形體，具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。石墨烯是一種極好的導電體，并且耐熱、耐酸，且在電勢方面具有比硅更強大的優勢，科學家們一直試圖將它與其他碳材料結合起來，設計出一種與現有半導體相比耗能更少、工作速度更快的新型芯片。
然而，石墨烯獨特的狄拉克錐能帶結構，導致了零帶隙的特性。“零帶隙”特性正是困擾石墨烯研究者數十年的難題。如何打開帶隙，成為開啟“石墨烯電子學”大門的“關鍵鑰匙”。
天津大學教授馬雷聯合美國佐治亞理工學院Walter de Heer團隊，在保證石墨烯優良特性的前提下，打開了石墨烯帶隙，首次制成了可擴展的半導體石墨烯，攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學發展的關鍵技術難題。研究團隊實現了從“0”到“1”的突破，這一突破被認為是開啟石墨烯芯片制造領域大門的重要里程碑。這可能為制造比現在的硅芯片速度更快、效率更高的新型計算機鋪平道路。
研究人員通過在石墨烯中引入帶隙，展示了一種可以控制電流開關的晶體管。由于該技術與制造硅芯片的技術相同，因此該工藝或更有利于擴大規模。研究人員使用了加熱的碳化硅晶片，使硅在碳之前蒸發，有效地在表面留下一層石墨烯。這種半導體石墨烯的電子遷移率遠超硅材料，表現出了十倍于硅的性能，并且擁有硅材料所不具備的獨特性質。研究人員表示“這就像在礫石路上開車和在高速公路上開車一樣。”
在本次天津大學天津納米顆粒與納米系統國際研究中心的突破性研究中，具有帶隙的半導體石墨烯為高性能電子器件帶來了全新的材料選擇。這種半導體的發展不僅為超越傳統硅基技術的高性能電子器件開辟了新道路，還為整個半導體行業注入了新動力。隨著摩爾定律所預測的極限日益臨近，半導體石墨烯的出現恰逢其時，預示著電子學領域即將迎來一場根本性的變革，其突破性的屬性滿足了對更高計算速度和微型化集成電子器件不斷增長的需求。
相關研究成果論文《Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide(碳化硅上生長的超高遷移率半導體外延石墨烯)》1月3日在線發表于國際期刊《Nature(自然)》。
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