中科院成功合成新型碳基二维半导体材料 弥补石墨烯缺憾

近期召开的“全球IEEE（电气和电子工程师协会）国际芯片导线技术会议”上，IMEC（欧洲微电子研究中心）提出了四种延续摩尔定律、打破2nm芯片物理极限的方法。这几种方法无一不是建立在了使用“石墨烯材料”的基础之上。经过讨论，专家组最终达成一致，将石墨烯定位下一代新型半导体材料，将碳基芯片定义为下一个芯片时代的主流。

以石墨烯为代表的碳基二维材料自发现以来受到了广泛关注。然而，石墨烯的零带隙半导体性质严重限制了其在微电子器件领域的应用。

针对该情况，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究人员等自2013年开展新型碳基二维半导体材料的制备研究，2014年1月成功制备了由碳和氮原子构成的类石墨烯蜂窝状无孔有序结构半导体C3N单层材料，并发现该材料在电子注入后产生的铁磁长程序。

C3N晶格结构及氢化后铁磁长程序

从结构图可以看出原本C原子构成的六边形全部被N原子分隔开。C3N的成功合成弥补了石墨烯无带隙的缺憾，为碳基纳米材料在微电子器件的应用提供了新的选择，并引起广泛关注。

研究人员于2016年初步实现AA'及AB'堆垛双层C3N的制备。在此基础上，他们与华东师范大学研究员袁清红团队通过近5年努力，借助实验技术与理论研究，在双层C3N的带隙性质、输运性质等研究领域取得突破，进一步证明双层C3N在纳米电子学等领域的重要应用潜力。该工作证明了通过控制堆垛方式实现双层C3N从半导体到金属性转变的可行性。与本征带隙为1.23 eV的单层C3N相比，双层C3N的带隙大致可以分为三种：接近金属性的AA和AA'堆垛、带隙比单层减少将近30%的AB和AB'堆垛、与单层带隙相近的双层摩尔堆垛。

AA'（a-c）及AB'（d-f）堆垛双层C3N的HAADF-STEM图像

上述工作是C3N材料实验与理论研究的重要突破，为进一步构建新型全碳微电子器件提供了支撑。然而，相比于目前研究已经比较成熟的石墨烯，C3N的研究起步较晚，该材料的基本物性研究仍有大量空白有待填补。

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