由于石墨烯缺乏固有带隙，半导体石墨烯在石墨烯纳米电子学中起着重要的作用。在过去的二十年中，通过量子限制或化学官能化来改变带隙的尝试都未能产生可行的半导体石墨烯。

2024年1月3日，天津大学马雷及Walt A. de Heer共同通讯（赵健，纪佩璇，李雅奇和李睿为共同第一作者）在Nature 在线发表题为“Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”的研究论文，该研究发现单晶硅衬底上的半导体外延石墨烯(SEG)具有0.6 eV的带隙和超过5000 cm2 V?1 s?1的室温迁移率，是硅的10倍，是其他二维半导体的20倍。众所周知，当硅从碳化硅晶体表面蒸发时，富含碳的表面结晶生成石墨烯多层。

在SiC的硅端面上形成的第一石墨层是部分共价键合到SiC表面的绝缘石墨烯层。该缓冲层的光谱测量显示出半导体特征，但由于无序，该层的可迁移性受到限制。该研究展示了一种准平衡退火方法，可以在宏观原子上产生SEG(即有序的缓冲层)。SEG晶格与SiC衬底对齐。它具有化学、机械和热稳定性，可以使用传统的半导体制造技术进行图像化和无缝连接到半导体外延石墨烯。这些基本特性使SEG适用于纳米电子学。

石墨烯革命最初是由寻找性能优于硅的电子材料推动的。石墨烯本质上是一种半金属(即一种无间隙半导体)，在预测由于量子约束，石墨烯纳米带可以是半导体之后，被认为是一种可能的候选者。然而，生产高质量半导体带的努力并不成功。因此，研究集中于用化学方法改变石墨烯的电子结构，但未能生产出可行的半导体。在此之后，人们的兴趣从石墨烯转向了其他本质上具有半导体性质的二维(2D)材料。

石墨烯是一种石墨烯，当硅在高温下从表面升华，形成富碳的表面，再结晶成石墨烯时，它会自发形成碳化硅晶体。氢化碳化硅端硅面上的 h-SiC一直是研究的热点。在该表面上生长的第一个石墨层(缓冲层)也具有石墨烯晶格结构，但它与SiC部分共价键合。该结构的晶格相对于SiC晶格旋转30°，形成晶格常数为1.85 nm的准周期SiC6×6超晶格，在费米能级存在能隙，但无序。

角度分辨光电子能谱显示，在密闭控制升华炉中产生的缓冲层有序度更好，是一种潜在可行的半导体材料。然而，发现缓冲层的迁移率μ仅为μ = 1 cm2 V?1 s?1，与其他具有高达约300 cm2 V?1 s?1室温迁移率的2D半导体相比，这是很小的。缓冲层的X射线反射研究表明，下垫的SiC表面明显缺乏硅。这是可以预期的，因为缓冲层是由硅在高温下的热损耗产生的。发现缓冲层具有完美的石墨烯结构;然而，与衬底的键合是无序的，导致小的迁移率。

SEG的生产流程（图源自Nature ）

该研究展示了一种准平衡生产方法，该方法可以在宏观域上生产高质量的半导体金石烯(SEG)，其带隙为0.6 eV，室温迁移率高达μ= 5,500 cm2 V?1 s?1，这是硅的十倍，是迄今为止报道的任何其他2D半导体理论上可能的20倍。此外，SEG在SiC晶格上以原子方式配准，并使用传统方法进行图案化，使其成为2D纳米电子学的理想平台。总之，SEG为二维纳米电子学提供了机会，在未来具有显著的商业可行性潜力。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06811-0

转自：“iNature”微信公众号

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