随着科技进步，人们对大规模高速计算的需求日益增长，然而，现有的芯片性能难以满足需求。其中，硅，是现代集成电路与电子芯片核心材料。随着微纳加工技术的进步，硅基半导体器件的性能已经非常接近其理论极限。于2004年首次被实验发现的石墨烯，为高性能电子器件的开发带来了曙光，但目前仍主要用于科研，尚未能大规模产业化。
在这一前沿领域，北京时间3月28日凌晨，上海交通大学物理与天文学院史志文团队在国际顶尖期刊《自然》，在线发表了以Graphene nanoribbons grown in hBN stacks for high-performance electronics的研究论文。该研究开发了一种生长石墨烯纳米带的全新方法，成功实现了超高质量石墨烯纳米带在氮化硼层间的嵌入式生长，形成原位封装的石墨烯纳米带结构，并演示了所生长的石墨烯纳米带可用于构建高性能场效应晶体管器件。
业内专家表示，该研究向微电子领域先进封装架构的原子制造迈出了关键一步。这些性能出色的层间石墨烯纳米带，有望在未来的高性能电子器件中扮演重要的角色。
团队介绍，半导体器件的极限性能主要取决于半导体材料中载流子的迁移率。现有的硅材料的载流子迁移率不够高，严重制约了硅基器件的响应速度和运算频率，而石墨烯的载流子迁移率可达硅的100倍以上。基于石墨烯的碳基纳米电子学，有望开启人类信息社会的新时代。
然而，二维石墨烯却无法直接用来制作晶体管器件。目前，尽管已有多种制备石墨烯纳米带的方法，但在可用于半导体器件的高质量石墨烯纳米带的制备问题一直没有得到解决。况且，已制备出的石墨烯纳米带的载流子迁移率均远低于理论值。
为此，团队投入了大量精力研究石墨烯纳米带的制备。此前多项研究表明，石墨烯被氮化硼封装之后，包括载流子迁移率在内的多项性能会得到显著提升。但目前已有的机械封装法效率很低，仅能用于科研领域，难以满足未来先进微电子产业中规模化生产的需要。
为了提高石墨烯器件性能，团队另辟蹊径、开发了一种全新的制备方法，实现了石墨烯纳米带在氮化硼层间的嵌入式生长，形成了独特的原位封装的半导体性石墨烯纳米带。
史志文表示，这种层间嵌入式生长很神奇。通常情况下，材料生长往往是在一种基底材料的表面生长另一种，而我们的纳米带则直接生长在六方氮化硼原子层间。论文第一作者吕博赛博士介绍，在层间生长的石墨烯纳米带长度可达亚毫米量级，远超此前的记录。
由于其免受器件加工过程中吸附、氧化、环境污染和光刻胶接触的影响，所以在理论上可获得超高性能纳米带电子器件。更进一步的实验测量结果表明，这一石墨烯纳米带表现出典型的半导体器件的电学输运特性，相关器件的载流子迁移率远超以往。
论文共同第一作者为上海交通大学物理与天文学院吕博赛、陈佳俊、娄硕、沈沛约、谢京旭、武汉大学王森和韩国蔚山国立科学技术学院的邱璐和Izaac Mitchell。共同通讯作者为史志文教授、特拉维夫大学Michael Urbakh教授、深圳先进技术研究院丁峰教授和武汉大学欧阳稳根教授。上海交通大学是论文的第一完成单位和通讯单位。
