石墨烯——这一困扰研究者数十年的二维晶体材料，因其独特的蜂巢晶格结构和单原子层厚度，拥有着超乎寻常的物理性质。尽管自理论研究起始已有70多年历史，但长期以来因二维晶体稳定性问题而被视为仅存在于理论层面的材料。直至2004年，石墨烯在室温下成功制备，自此开启了石墨烯研究的新纪元。相较于传统的硅基半导体，石墨烯展现出了三大显著优势：首先，石墨烯具备极高的电子迁移率，远超过硅的10倍以上，这意味着采用石墨烯制造的电子器件如晶体管、传感器及显示屏等将实现更快的运算速度和更低能耗；其次，石墨烯具有出色的稳定性，能在极端环境下保持原有性能，不受温度、压力或电场影响；最后，石墨烯的高度灵活性使其能够适应各种复杂形状和表面，极大地推动了柔性电子、可穿戴设备以及生物医疗等领域的发展。
然而，石墨烯作为半导体的一大难题在于其零带隙特性，这使得它不具备像传统半导体那样有效实现晶体管“关断”功能的能力。解决这一核心问题成为了石墨烯科研道路上的关键挑战。
马雷教授团队最近取得的重大突破即破解了这一难题。通过对外延石墨烯生长过程进行精准调控，他们在石墨烯中成功引入了带隙，创造出一种新型稳定且兼具高迁移率的半导体石墨烯。这一技术通过严格控制生长环境的各项参数，确保碳原子在碳化硅衬底上形成高度有序的结构。这种新型石墨烯不仅具有带隙，在室温下迁移率更是超越硅材料十倍之多，标志着真正意义上的单晶石墨烯半导体诞生。
目前，该团队采用准平衡退火方法制备出超大单层单晶畴半导体外延石墨烯，该方法已基本满足工业化应用需求，相较传统工艺，其生长面积更大、均匀性更优、工艺流程更为简单且成本较低，室温迁移率至少优于当前所有单层晶体一个数量级。
与此同时，各国对于石墨烯的研发和布局早已紧锣密鼓地展开。美国早在2006年便开始探索石墨烯电子技术，并投资大量资金用于基础研究项目和相关技术研发；欧洲于2013年启动了史上最大的多方合作研究计划——“石墨烯旗舰计划”，投入10亿欧元推动石墨烯材料从实验室走向规模化生产；日本则在2007年开始对石墨烯相关研究提供资助，并在2019年成功合成出具备优异电气特性的石墨烯纳米带；韩国的三星电子和LG电子也在积极研发基于石墨烯的组件，以提升半导体和家电产品的耐用性和能源效率。
综上所述，在摩尔定律逐渐逼近物理极限的大背景下，石墨烯以其出色的电学特性及导热优势被寄予厚望，有望成为取代硅基材料的候选者之一。尽管石墨烯在逻辑晶体管应用中仍面临诸多待解问题，但科研人员坚信，只要持之以恒，石墨烯的未来必将照亮半导体产业崭新的道路。
