2024年，美國佐治亞理工學院和天津大學研究人員共同創造了世界上第一個由石墨烯制成的功能半導體，其可以實現更小、更快的電子設備，并可能應用于量子計算。隨著芯片技術的迭代逼近物理臨界點，石墨烯半導體的問世為電子產品的突破打開大門。

圖：美國佐治亞理工學院最新石墨烯半導體樣本

一、石墨烯在半導體應用中的挑戰

 一是缺乏帶隙。石墨烯既不是半導體也不是金屬，而是半金屬。石墨烯沒有帶隙，無法以正確的比率打開和關閉。帶隙是一種在施加電場時可以打開和關閉的材料，是所有晶體管和硅電子器件的工作原理。因此，石墨烯帶隙為零，不具有半導體性質，無法實現像硅一樣在半導體中工作。

二是穩定性低。石墨烯具有良好的導熱性能，但穩定性不高，其無法在有氧環境中穩定存在。它在高溫下與氧氣反應，生成氧化石墨烯。其會破壞石墨烯本身的性能，直至失去導電性能。另外，石墨烯包含一些毒性和雜質石墨，加熱過程中會產生毒化學物質。有毒物質殘留則會影響石墨烯性性能，且制成的電氣組件可能會危害日常生活。

三是成本昂貴。大規模生產石墨烯非常困難且成本昂貴，通過機械剝離法可獲得少量的石墨烯片。但是，在商業化生產中，需要提取大量的石墨烯片，且提取出的材料包含一些雜質/缺陷，無缺陷的石墨烯片成本更加昂貴。目前，一克石墨烯的價格約為100美元，單張石墨烯的制造成本為100美元，開發出合適的生產方法量產商業化石墨烯還要探究。

二、研究突破

美國佐治亞理工學院和天津大學研究人員克服了幾十年來困擾石墨烯零帶隙的最大障礙，實現了二大突破，從而將電子遷移率降低到可以替代硅的水平。

一是遷移率高。研究人員使用摻雜技術，將原子放在石墨烯上，向系統“捐贈”電子。該方法實現了石墨烯零帶隙的突破，且不會損壞材料或其特性，是實現基于石墨烯的電子產品的關鍵一步。研究人員表示，該石墨烯半導體異常堅固，其遷移率是硅的10倍，并且還具有硅所不具備的獨特性能。

二是穩定性高。研究人員使用特殊熔爐在碳化硅晶圓上生長石墨烯，取得另一突破。他們生產了外延石墨烯，在碳化硅晶面上生長出單層石墨烯。他們發現，當制造得當時，外延石墨烯會與碳化硅發生化學鍵合，并開始表現出半導體特性。此外，其可以承受高電流，且在高溫環境中不會分解。

圖：Nature 雜志

三、研究前景

研究團隊表明，石墨烯半導體的電子以非常低的阻力移動，效率更高，且升溫較慢，但移動速度更快，實現了高遷移率。目前，其是唯一具有用于納米電子學的所有必要特性的二維半導體，且電學特性遠遠優于目前正在開發的任何其他二維半導體。外延石墨烯將引起電子領域的范式轉變，并利用其獨特特性實現全新技術突破。此外，利用其電子的量子力學波特性，實現量子計算飛躍發展。