开门红！天津大学2024年首篇Nature！

  电子学依赖于使用由半导体材料制造成的开关设备，其中能控制电流，理想情况下能控制到单个电荷的运动。半导体之所以能做到这一点，是因为其电子的允许能量在低能带和高能带之间留下了间隙，电子可以被激发穿过这个“带隙”。具有不一样大小带隙的材料可具有互补功能，例如执行逻辑运算、供电或充当传感器。半导体石墨烯在石墨烯纳米电子学中扮演着重要角色，因为石墨烯缺乏本征带隙。在过去的二十年里，人们试图通过量子限制或化学功能化来改变带隙，但都未能制备出可行的半导体石墨烯。

  在这里，天津大学马雷教授联合Walt A. de Heer教授共同证明了在单晶碳化硅衬底上的半导体外延石墨烯（SEG）的带隙为 0.6 eV，室温迁移率超过 5,000 cm2 V-1 s-1，是硅的 10 倍，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，富碳表面会结晶产生石墨烯多层膜。在碳化硅的硅端面形成的第一个石墨层是与碳化硅表面部分共价键合的绝缘外石墨烯层。对这一缓冲层的光谱测量显示出半导体特征 ，但由于无序，该层的迁移率受到限制。在这里，作者展示了一种准平衡退火方法，它能在宏观原子平阶上产生 SEG（即有序的缓冲层）。SEG 晶格与 SiC 基底对齐。它具有化学、机械和耐热性，可使用传统半导体制造技术进行图案化并与半金属外延烯无缝连接。这些基本特性使 SEG 适用于纳米电子学。相关成果以“Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide”为题发表在《Nature》上，第一作者为赵健，纪佩璇和李睿为共同一作。

  传统的外延石墨烯和缓冲层是在密闭控制升华（CCS）炉中生长的（图 1a,b），在这种炉中，将3.5 mm × 4.5 mm的半绝缘碳化硅芯片放置在圆柱形石墨坩埚中，在 1 bar的氩气环境下，于 1,300 °C 至 1,600 °C 的温度范围内退火（图 1c）。坩埚有一个小漏孔。硅从坩埚中逸出的速度决定了石墨烯在表明产生的速度。因此，生长温度和石墨烯形成率都是可控的。

  在 C 面到 Si 面的配置中，较热的 C 面上会形成一层薄薄的 Si 膜，而在 Si 面上则会生长出 SEG 涂层 (0001) 的大刻面。因此，硅面缺失的硅可能会凝结在 C 面，以保持化学计量。当温度梯度倒置时，硅面的温度高于 C 面，质量传输从硅面（源）到 C 面（种子），硅面也会形成大的 SEG 涂层（0001）梯度。显然，在这种倒置晶体生长过程中，基底阶跃从源蒸发，在硅面上留下大的（0001）梯度。因此得出结论：SEG 涂层（0001）面比任何其他碳化硅面都更稳定，特别是比的（0001）面更稳定，这在某种程度上预示着原则上应该能生产出晶圆级单晶 SEG。

  SEG 可在所有相关长度尺度上进行研究。在 100 纳米到 1 毫米的尺度上，扫描电子显微镜（SEM）可提供高对比度，区分裸 SiC、SEG 和石墨烯 （图 2a）。在纳米尺度上，石墨烯和 SEG 在扫描隧道显微镜 (STM) 中也非常容易通过 SiC6x6 调制来识别（图 2b）。低能电子衍射（LEED）可用于识别 SEG，并验证其与碳化硅基底的原子配位（图 2c）。拉曼光谱（1-100 微米）对石墨烯和 SEG 非常敏感，石墨烯的痕量很容易通过其强烈的二维特征峰识别出来（图 2d）。侧向力显微镜（LFM）可在 10 微米的扫描范围内将 SEG 与碳化硅和石墨烯区分开来。原子力显微镜 (AFM)、扫描电镜和光学显微镜可显示表面阶梯。图 2e 显示了低温 STM 图像，该图像映射出 SEG 的状态密度 (DOS) 与费米能的函数关系。该图像显示了 0.6 eV 的明确带隙。与传统升华方法制备的缓冲层样品相比，带隙中没有可检测到的状态。

  样品的电导率（图 3a）随着温度的升高呈单调增长。室温下的电导率为 1 × 10-3 S 至 8 × 10-3 S，对应的电阻率 ρ 为 125 Ω 至 330 Ω。电荷密度（图 3b）从 0.2 × 1012 cm-2 到 40 × 1012 cm-2 不等。STS 测量结果（图 2e）表明，SEG 本质上是电荷中性的，因此电荷是由环境气体和光刻加工产生的残余电阻造成的。迁移率（图 3c）一般随温度上升而增加，在较高温度下趋于饱和。测得的最大迁移率为 5,500 cm2 V-1 s-1。室温下的 SEG 传导率、电荷密度和迁移率都在典型的石墨烯范围内。

  根据测量到的半导体导电率和 DOS，可以预测场效应晶体管的响应（图 4）。结果显示导通比为 106（图 4a），阈下斜率为每 10 年 60 mV（图 4b），足以满足数字电子技术的要求。

  在主流石墨烯研究之前，外延石墨烯纳米电子学研究的唯一重点是开发二维纳米电子学平台，以取代硅电子学。石墨烯缺乏带隙被认为是主要障碍。本文证明了结晶良好的缓冲层是一种出色的二维半导体，其带隙为 0.6 eV，室温迁移率大于目前所有的二维半导体。原型 FET 的导通-关断比为 104，在优化器件中可能达到 106。

  碳化硅是一种重要的商用半导体，与传统的微电子处理方法和太赫兹应用兼容。此外，外延石墨烯还能够直接进行纳米图案化，而其他基底上的石墨烯由于都会存在的边缘紊乱而没办法实现这一点。相比之下，外石墨烯的边缘则是极佳的一维导体。SEG 可与多种原子和分子插层，形成多种具有有用电子和磁性能的材料。

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