研究人員在美國佐治亞理工學院成功創建了世界上第一塊由石墨烯制成的功能性半導體，石墨烯是由最強結合力的碳原子單層組成的材料。半導體是在特定條件下導電的材料，是電子設備的基礎組件。該團隊的突破為一種新型電子技術打開了大門。

這一發現正值硅，即幾乎所有現代電子設備都由其制成的材料，面臨著日益迅速的計算和更小的電子設備的挑戰。

佐治亞理工學院物理學教授Walter de Heer領導了一支研究團隊，該團隊總部位于美國佐治亞州亞特蘭大市和中國天津，成功制造出一種與傳統微電子加工方法兼容的石墨烯半導體，這對于硅的任何可行替代品都是必要的。

在最新的研究中，發表在《自然》雜志上，de Heer及其團隊克服了困擾石墨烯研究幾十年的至關重要的障礙，也是許多人認為石墨烯電子將永遠無法工作的原因，即“能隙”。這是一個關鍵的電子屬性，使半導體能夠開關。直到現在，石墨烯都沒有能隙。

"我們現在擁有了一種極其強大的石墨烯半導體，其遷移率是硅的10倍，而且還具有硅中不可用的獨特特性，" de Heer說道。“但過去10年來我們工作的故事一直是：‘我們能使這種材料足夠好以便工作嗎？’”

一種新型半導體De Heer早在他的職業生涯初期就開始探索碳基材料作為潛在的半導體，然后在2001年轉向探索二維石墨烯。當時他就知道石墨烯在電子方面有潛力。

“我們受到了希望將石墨烯的三個特殊屬性引入電子技術中的啟發，”他說。“它是一種極其強大的材料，可以處理非常大的電流，而且可以在不發熱和破裂的情況下完成。”

De Heer取得突破的關鍵在于他和他的團隊想出了如何利用特殊爐子在碳化硅晶圓上生長石墨烯。他們制造了外延石墨烯，這是一層生長在碳化硅晶體表面的單層。該團隊發現，當它制備得當時，外延石墨烯與碳化硅化學結合并開始顯示半導體特性。

在接下來的十年里，他們在佐治亞理工學院不斷完善這一材料，并與中國天津大學國際納米顆粒與納米系統中心的同事合作。De Heer于2014年與該中心的主任和論文的共同作者Lei Ma共同創立了該中心。

他們是如何做到的在其自然形式中，石墨烯既不是半導體也不是金屬，而是半金屬。能隙是一種在對其施加電場時可以打開和關閉的材料，這是所有晶體管和硅電子工作的方式。石墨烯電子研究的主要問題是如何使其像硅一樣打開和關閉，以便它能夠像硅一樣工作。

但要制造一種功能性的晶體管，半導體材料必須經過大幅度的加工，這可能會損壞其性質。為了證明他們的平臺能夠作為可行的半導體，團隊需要測量其電子性質而不損害它。

他們在石墨烯上放置了“捐贈”電子給系統的原子—這是一種稱為摻雜的技術，用于查看該材料是否是良好的導體。這種方法在不損害材料或其性質的情況下奏效。

該團隊的測量顯示，他們的石墨烯半導體的遷移率是硅的10倍。換句話說，電子以非常低的電阻移動，這在電子學中轉化為更快的計算。“這就像在碎石路上開車與在高速公路上開車一樣，”de Heer說。“它更有效率，不會發熱那么多，而且它允許更高的速度，因此電子可以更快地移動。”

該團隊的產品目前是唯一具有用于納米電子中所有必要特性的二維半導體，其電氣性能遠遠優于目前正在開發中的任何其他二維半導體。

“石墨烯電子領域的一個長期問題是石墨烯沒有正確的能隙，不能按照正確的比例打開和關閉，”馬說。“多年來，許多人嘗試用各種方法解決這個問題。我們的技術實現了這一能隙，是實現基于石墨烯的電子的關鍵一步。”

展望未來外延石墨烯可能引發電子領域的范式轉變，并允許利用其獨特特性的全新技術的出現。該材料允許電子的量子機械波特性被利用，這是量子計算的一個要求。

“我們進行石墨烯電子研究的動機已經存在很長時間，其余的就是讓它發生，”de Heer說。“我們必須學會如何處理這種材料，如何使它變得越來越好，最終如何測量其性質。這需要很長時間。”

根據de Heer的說法，看到另一代電子產品即將到來并不罕見。在硅之前，有真空管，再之前有電線和電報。硅是電子歷史上的眾多步驟之一，而下一步可能就是石墨烯。

“對我來說，這就像是萊特兄弟的時刻，”de Heer說。“他們造了一架能在空中飛行300英尺的飛機。但懷疑論者問為什么世界需要飛行，當時已經有快速的火車和船了。但他們堅持了下來，這是一項可以讓人們跨越海洋的技術的開始。”