石墨烯被認為是一種潛在的新型電子材料，可以用來製造更快、更小、更節能的電子裝置。但是，石墨烯也有一個很大的缺點，就是它沒有帶隙。什麼是帶隙呢？簡單地說，帶隙是指一個材料中電子能量的一個禁區，電子不能在這個區域內存在。

如果一個材料有帶隙，那麼它就可以透過控制電壓或電流來調節電子的流動，從而實現開關或邏輯功能。

石墨烯不是良導體，全世界電阻率最小的材料嗎，怎麼能製成半導體呢？這也正是科學家最棘手的地方。石墨烯是由單層碳原子組成的六角型蜂巢晶格結構，也就是說是二維的，每個碳原子都會貢獻一個電子出來形成大π鍵，這些π鍵電子不再受單個碳原子的約束，可以在整個平面內自由移動，所以石墨烯具有良好的導電性。

石墨烯這種由單層碳原子構成的二維材料有三大優良特性：

1）無比堅固，石墨烯的強度是鋼的200倍以上；

2）載子遷移率極高；

3）導熱率極高，這表示石墨烯可以有效散熱，防止電子元件過熱。

對於電子產業而言，看起來石墨烯是個優良無比的材料，但是石墨烯是一種無帶隙材料，缺乏開關電晶體的關鍵特性。因此在過去的20年裡，人們一直在努力在石墨烯中“打開一個帶隙”，這是石墨烯商業化應用之前首要解決的難題。

最新的研究讓石墨烯成功有了帶隙，為石墨烯在半導體領域的應用開啟了新的可能性。透過在SiC上的生長過程中施加特定的限制，成功展示了生長在單晶矽碳化物基板上的半導體外延石墨烯（SEG）具有0.6 eV的帶隙，並且室溫遷移率超過5000 cm²V⁻¹s ⁻¹，是矽的10倍，是其他二維半導體的20倍。證明了石墨烯的效率更高，允許電子以更快的速度穿過。更形象的說，這就好比「車子在碎石路上行駛與在高速公路上行駛一樣」。這項成就為石墨烯在半導體領域的應用開啟了新的可能性。

那麼，石墨烯究竟是如何有了帶隙的呢？

石墨烯帶隙的開啟主要有兩種方式：一種是奈米帶方法，這種方法是將石墨烯切割或塑造成極其細小的奈米帶。透過奈米加工技術，現在可以以接近原子級的精度製造石墨烯奈米帶。在這些奈米帶中，由於量子限制效應，電子被限制在一個維度上活動，從而導致帶隙的打開。這種方法的挑戰在於製造過程的複雜性和樣品間的變異性，這使得在大規模生產上存在困難，尤其是在滿足消費性電子產品需求的規模上；另一種是基底相互作用法，它是利用石墨烯與其生長基底之間的相互作用來創造帶隙。這種方法通常涉及選擇特定的基底材料和調整生長條件，以改變石墨烯的電子性質。

最新研究所採用的方法正是第二種－在碳化矽（SiC）上生長石墨烯「緩衝層」。其實，早在2008年人們就已經知道在SiC上形成的石墨烯緩衝層可能是半導體，但要獲得晶圓級樣品一直是個挑戰。

透過加熱半導體材料碳化矽（SiC），待表面的矽原子從SiC晶體表面昇華後，會留下一個富含碳的層，豐富的碳顯示可以重新結晶生成具有石墨烯結構的多層，也就是說這是在SiC晶體上自發形成的石墨烯。部分石墨烯與SiC表面共價鍵合，這個緩衝層的光譜測量表現出半導體特徵。

問題來了，這個自發形成的石墨烯外延層與SiC基底的鍵合是無序的，導致了其遷移率極低，僅為1 cm²V⁻¹s⁻¹，與其他具有室溫遷移率高達300 cm²V⁻ ¹s⁻¹的二維半導體相比差得太遠。

利用一種準平衡退火方法可以解決這個問題。如下圖b所示，透過將兩個SiC晶片夾在一起，使得上層晶片的矽面與下層晶片的碳面相對，創造了一個受控環境，這樣可以抑製石墨烯的生長。在1 bar的超純氬氣中，溫度約1600°C，可以生長出均勻覆蓋有緩衝層的大型原子級平坦台地。結果是SEG晶格不僅能與SiC基底對齊，而且它在化學、機械和熱方面都非常穩定，可透過傳統半導體製造技術進行圖案化，並與半金屬外延石墨烯無縫連接。這些基本屬性使得SEG適用於奈米電子學。

石墨烯緩衝層的這項突破為「超越矽」的技術提供了新的動力，特別是在寬頻隙和超寬頻隙半導體領域，如電動車的電力電子以及太空船電子產品，SiC基底的應用潛力被進一步擴展。

同時，這也推動了對於在SiC上整合不同功能設備，例如感測器和計算邏輯組件的深入研究，這對於再生能源的發展及其不穩定輸入的管理至關重要。（半導體材料與製程設備）