北京高压科学研究中心科学家打开石墨烯带隙！

石墨烯的发现获得了2010年诺贝尔物理奖, 从此厚载众望, 盼将取代硅基半导体, 引发新一轮科技革命。然而，科学家们经过多年的努力，才将石墨烯的零带隙打开至0.3 eV，远远低于应用要求。

北京高压科学研究中心陈斌团队通过高压调控技术, 最近成功地将石墨烯的带隙打开至2.5 eV, 并且维持至很低压力条件下。该发现可能重燃石墨烯科技革命。相关研究发表于最新的《美国科学院院报》。

石墨烯以其优异的力学，电学和光学特性在柔性材料、新能源、晶体管等领域具有重要的应用前景，被认为是未来科技革命的重要材料。石墨烯具有极高的载流子迁移率，可以极大地提高电脑的运行速率和降低能耗，因此被看作是电子器件材料硅的潜在竞争者。然而，遗憾的是石墨烯是零带隙的半金属材料，石墨烯场效应管的开/关比较低，其微电子应用前景并不乐观, 2010年诺贝尔奖评审委员会“石墨烯晶体管将比硅晶体管运行得更快，让我们的电脑更高效” 的愿景依然如水中月一样无法触及。

因此打开石墨烯的带隙成了将其制备成高性能电子器件的首要挑战。科学家们运用各种化学、物理方法，包括量子点、纳米带、纳米筛等量子限域法，化学掺杂法，外加电场调节法等试图打开石墨烯的带隙，但是带隙很小，只有几百毫电子伏，与实际应用还有很大的差距。

北京高压科学中心的科学家与其合作者运用压力调控层间相互作用，成功将三层石墨烯的带隙打开至 2.5±0.3 eV. 首先，他们通过实验技术探索与创新，运用光刻技术制备薄膜电极保证样品与电极间的良好接触，结合手工布线和传压介质技术保证电极在极端高压环境下的稳定性，首次实现了超薄样品超高压原位电输运测量。电学测量是判断材料金属-绝缘体转变以及带隙打开的直接证据。“使用光刻技术制备薄膜电极是我们高压下的薄膜材料电学测量的关键，”该工作的通讯作者陈斌研究员说到。

他们的研究结果表明在极端压力环境下三层石墨烯从半金属态转变为半导体状态。光吸收实验数据表明三层石墨烯被调控至2.5±0.3 eV，并且带隙一旦被打开，可以保存至很低的压力。“带隙打开的主要原因是压力诱导的sp2-sp3结构转变，”该工作的主要完成者柯峰博士解释道。

他们的研究结果为打开石墨烯的带隙提供了新的方法，也消除了人们对于石墨烯没有带隙而无法制备高性能场效应管的疑虑，为制备高性能石墨烯场效应管提供了重要指导依据。

在前端设计水平相当的情况下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍，随着技术发展，进一步挖掘潜力，性能可能会是传统硅基芯片的上百倍！同时还拥有更低的功耗。

石墨烯芯片的机会与挑战

石墨烯因其超薄结构以及优异的物理特性，在 FET 应用上展现出了优异的性能和诱人的应用前景. 如 Obradovic 等研究发现，与碳纳米管相比，石墨烯 FET 拥有更低的工作电压﹔Wang等所制备的栅宽 10nm 以下的石墨烯带 FET 的开关比达 10e7﹔Wu 等采用热蒸发 4H-SiC 外延生长的石墨烯制备的 FET，其电子和空穴迁移率分别为 5,400 和 4,400cm2/(V·s)，比传统半导体材料如 SiC 和 Si 高很多﹔Lin 等制备出栅长为 350nm 的高性能石墨烯 FET，其载流子迁移率为 2700 cm2/(V·s)，截止频率为 50 GHz，并在后续研究中进一步提高到 100 GHz﹔Liao 等所制备的石墨烯 FET 的跨导达 3.2 mS/μm，并获得了迄今为止最高的截止频率 300 GHz，远远超过了相同栅长的 Si-FET (~40GHz)。

然而, 由于石墨烯的本征能隙为零，并且在费米能级处其电导率不会像一般半导体一样降为零，而是达到一个最小值，这对于制造晶体管是致命的，为石墨烯始终处于“开”的状态。

另外，带隙为零意味着无法制作逻辑电路，这成为石墨烯应用于晶体管等器件中的主要困难和挑战。因此, 如何实现石墨烯能带的开启与调控，亟待研究和解决。据文献报道，一般采用两种方法实现石墨烯能带的开启与调控，即﹕掺杂改性和形貌调控。Nature Nanotechnology 评论明确指出﹕要深入挖掘石墨烯的优异物理特性，以制备高性能石墨烯 FET，其重要基础和关键之一是获得宽度与厚度(即层数)可控的高质量石墨烯带状结构。带状石墨烯因其固有而独特的狭长“扶椅”或“之”状边缘结构效应、量子限域效应而具有丰富的能带结构，其能隙随着石墨烯的宽度减小而增大，且和石墨烯的厚度密切相关，成为石墨烯 FET 沟道材料的理想选择。

纳米碳材料，特别是石墨烯具有极其优异的电学、光学、磁学、热学和力学性能，是理想的纳电子和光电子材料。石墨烯具有特殊的几何结构，使得费米面附近的电子态主要为扩展π态。由于没有表面悬挂键，表面和纳米碳结构的缺陷对扩展 π 态的散射几乎不太影响电子在这些材料中的传输，室温下电子和空穴在石墨烯中均具有极高的本征迁移率 (大于 100000 cm2/(V·s))，超出最好的半导体材料(典型的硅场效应晶体管的电子迁移率为 1000 cm2/(V·s))。

作为电子材料，石墨烯可以通过控制其结构得到金属和半导体性管。在小偏压的情况下，电子的能量不足以激发石墨烯中的光学声子，但与石墨烯中的声学声子的相互作用又很弱，其平均自由程可长达数微米，使得载流子在典型的几百纳米长的石墨烯器件中呈现完美的弹道输运特征。典型的金属性石墨烯中电子的费米速度为 υF= 8×10e5 m/s，室温电阻率为 ρ = 10E6 Ω-cm，性能优于最好的金属导体，例如其电导率超过铜。由于石墨烯结构中的 C–C 键是自然界中最强的化学键之一，不但具有极佳的导电性能，其热导率也远超已知的最好的热导体，达到 6,000 W/mK。

此外石墨烯结构没有金属中的那种可以导致原子运动的低能缺陷或位错，因而可以承受超过 10e9 A/cm2 的电流，远远超过集成电路中铜互连线所能承受的 10e6A/cm2 的上限，是理想的纳米尺度的导电材料。理论分析表明，基于石墨烯结构的电子器件可以有非常好的高频响应，对于弹道输运的晶体管其工作频率有望超过 THz, 性能优于所有已知的半导体材料。

现代信息技术的基石是集成电路芯片，而构成集成电路芯片的器件中约 90% 是源于硅基 CMOS（complementary metal-oxide-semiconductor)，互补金属-氧化物-半导体)技术，而硅基 CMOS技术的发展在 2005年国际半导体技术路线图 (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)宣布将在 2020 年达到其性能极限。原因在 CMOS 技术的核心是高性能电子 (n-)型和空穴 (p-)型场效应晶体管 (field effect transistor, FET)的制备，以及将这两种互补的场效应晶体管集成的技术。

随着晶体管尺度的缩小，器件加工的均匀性问题变得越来越严重，其中最为重要的是器件的加工精度和掺杂均匀性的问题。采用传统的微电子加工技术，目前最好的加工精度约为 5nm。随着器件尺度的不断缩小，对应的晶体管通道的物理长度仅为十几纳米，场效应晶体管源漏电极之间的载流子通道的长度的不确定性将不再可以忽略不计，所以半导体材料中的掺杂均匀性问题将是另一个难以克服的问题。

这个领域的主流方向一直是沿用硅基技术的思路，即通过掺杂，例如 K 掺杂来制备石墨烯 n型器件，但结果都不尽如人意。其中主要的问题是石墨烯具有一个非常完美的结构，表面完全没有悬挂键，一般不和杂质原子成键，是自然的本征材料。采用与石墨烯结合较弱的 K 原子掺杂结果一是不稳定，二是很难控制，不大可能满足高性能集成电路的要求。2005 年美国 Intel 公司 Chau 等人对纳米电子学的发展状况进行了总结, 他们对石墨烯基器件的主要结论是: 虽然其 p 型晶体管的性能远优于相应的硅基器件, 但其 n 型石墨烯晶体管的性能则远逊于相同尺寸的硅基器件。集成电路的发展要求性能匹配的 p 型和 n 型晶体管，n 型碳石墨烯晶体管性能的落后严重制约了石墨烯电子学的发展, 发展稳定的高性能 n 型石墨烯器件成了 2005 年之后石墨烯 CMOS 电路研究领域最重要的课题之一。

从目前石墨烯电子学已经取得的进展来看，至少有两个重要的方面是可以确认的。第一是石墨烯器件相对于硅基器件来说具有更好的特性，无论是速度、功耗还是可缩减性，而且可以被推进到 8nm 甚至 5nm 技术节点，这正是 2020 年之后数字电路的目标。第二是石墨烯的数字集成电路的方案是可行的。

在实验室人们已经实现各种功能的电路，原则上已经可以制备任意复杂的集成电路，特别是 2013 年 9月 26日美国斯坦福大学的研究人员在《Natures》杂志上报道采用碳纳米管制造出由 178 个晶体管组成的计算机原型。虽然目前这个原型机尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先进计算机比肩，但这项工作在国际上引起了巨大反响, 使得人们看到了碳基电子学时代初露的曙光。

IBM 发表的系统计算表明，石墨烯基的芯片不论在性能和功耗方面都将比硅基芯片有大幅改善。例如，从硅基 7 nm 到 5nm技术，芯片速度大约有 20%的增加。但石墨烯 7nm 技术较硅基 7nm 技术速度的提高高达 300%，相当 15 代硅基技术的改善。

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