石墨烯被认为是一种潜在的新型电子材料，可以用来制造更快、更小、更节能的电子器件。但是，石墨烯也有一个很大的缺点，那就是它没有带隙。什么是带隙呢？简单地说，带隙是指一个材料中电子能量的一个禁区，电子不能在这个区域内存在。如果一个材料有带隙，那么它就可以通过控制电压或电流来调节电子的流动，从而实现开关或逻辑功能。石墨烯不是良导体，世界上电阻率最小的材料吗，怎么能制成半导体呢？这也正是科学家们最棘手的地方。石墨烯是由单层碳原子组成的六角型蜂巢晶格结构，也就是说是二维的，每个碳原子都会贡献一个电子出来形成大π键，这些π键电子不再受单个碳原子的约束，可以在整个平面内自由移动，所以石墨烯具有良好的导电性。
石墨烯这种由单层碳原子构成的二维材料有三大优良特性：
- 无比坚固，石墨烯的强度是钢的200倍以上；
- 载流子迁移率极高；
- 导热率极高，这意味着石墨烯可以有效地散热，防止电子器件过热。
对于电子行业而言，看起来石墨烯是一个优良无比的材料，但是石墨烯是一种无带隙材料，缺乏用于开关晶体管的关键特性。因此在过去的20年里，人们一直在努力在石墨烯中“打开一个带隙”，这是石墨烯商业化应用之前首要解决的难题。
最新的研究让石墨烯成功有了带隙，为石墨烯在半导体领域的应用开启了新的可能性。通过在SiC上的生长过程中施加特定的限制，成功展示了生长在单晶硅碳化物衬底上的半导体外延石墨烯（SEG）具有0.6 eV的带隙，并且室温迁移率超过5000 cm²V⁻¹s⁻¹，是硅的10倍，是其他二维半导体的20倍。证明了石墨烯的效率更高，允许电子以更快的速度穿过。更形象的说，这就好比“车子在碎石路上行驶与在高速公路上行驶一样”。这一成就为石墨烯在半导体领域的应用开辟了新的可能性。
那么，石墨烯究竟是如何有了带隙的呢？
石墨烯带隙的打开主要有两种方式：一种是纳米带方法，这种方法是将石墨烯切割或塑造成极其细小的纳米带。通过纳米加工技术，现在可以以接近原子级的精度制造石墨烯纳米带。在这些纳米带中，由于量子限制效应，电子被限制在一个维度上活动，从而导致带隙的打开。这种方法的挑战在于制造过程的复杂性和样品间的变异性，这使得在大规模生产上存在困难，尤其是在满足消费电子产品需求的规模上；另一种是基底相互作用法，它是利用石墨烯与其生长基底之间的相互作用来创建带隙。这种方法通常涉及选择特定的基底材料和调整生长条件，以改变石墨烯的电子性质。
最新研究所采用的方法正是第二种——在碳化硅（SiC）上生长石墨烯“缓冲层”。其实，早在2008年人们就已经知道在SiC上形成的石墨烯缓冲层可能是半导体，但获得晶圆级样品一直是一个挑战。
通过加热半导体材料碳化硅（SiC），待表面的硅原子从SiC晶体表面升华后，会留下一个富含碳的层，丰富的碳表明可以重新结晶生成具有石墨烯结构的多层，也就是说这是在SiC晶体上自发形成的石墨烯。部分石墨烯与SiC表面共价键合，这个缓冲层的光谱测量表现出半导体特征。问题来了，这个自发形成的石墨烯外延层与SiC基底的键合是无序的，导致了其迁移率极低，仅为1 cm²V⁻¹s⁻¹，与其他具有室温迁移率高达300 cm²V⁻¹s⁻¹的二维半导体相比较差得太远。利用一种准平衡退火方法可以解决这一问题。如下图b所示，通过将两个SiC芯片夹在一起，使得上层芯片的硅面与下层芯片的碳面相对，创造了一个受控环境，这样可以抑制石墨烯的生长。在1 bar的超纯氩气中，温度约1600°C，可以生长出均匀覆盖有缓冲层的大型原子级平坦台地。结果是SEG晶格不仅能与SiC基底对齐，而且它在化学、机械和热方面都非常稳定，可通过传统半导体制造技术进行图案化，并与半金属外延石墨烯无缝连接。这些基本属性使得SEG适用于纳米电子学。
石墨烯缓冲层的这一突破为“超越硅”的技术提供了新的动力，特别是在宽带隙和超宽带隙半导体领域，如电动汽车的电力电子以及航天器电子产品，SiC基底的应用潜力被进一步扩展。同时，这也推动了对于在SiC上集成不同功能设备，如传感器和计算逻辑组件的深入研究，这对于可再生能源的发展及其不稳定输入的管理至关重要。
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