石墨烯因其超薄結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的物理特性,在FET應(yīng)用上展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和誘人的應(yīng)用前景.如Obradovic等研究發(fā)現(xiàn)，與碳納米管相比，石墨烯FET擁有更低的工作電壓﹔Wang等所制備的柵寬10nm以下的石墨烯帶FET的開關(guān)比達(dá)10E7﹔Wu等采用熱蒸發(fā)4H-SiC外延生長(zhǎng)的石墨烯制備的FET，其電子和空穴遷移率分別為5400和4400cm2/(V·s)，比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料如SiC和Si高很多﹔Lin等制備出柵長(zhǎng)為350nm的高性能石墨烯FET，其載流子遷移率為2700cm2/(V·s)，截止頻率為50GHz，并在后續(xù)研究中進(jìn)一步提高到100GHz﹔Liao等所制備的石墨烯FET的跨導(dǎo)達(dá)3.2mS/μm，并獲得了迄今為止最高的截止頻率300GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了相同柵長(zhǎng)的Si-FET(~40GHz)。然而,由于石墨烯的本征能隙為零，并且在費(fèi)米能級(jí)處其電導(dǎo)率不會(huì)像一般半導(dǎo)體一樣降為零，而是達(dá)到一個(gè)最小值，這對(duì)于制造晶體管是致命的，為石墨烯始終處于“開”的狀態(tài)。

另外，帶隙為零意味著無法制作邏輯電路，這成為石墨烯應(yīng)用于晶體管等器件中的主要困難和挑戰(zhàn)。因此,如何實(shí)現(xiàn)石墨烯能帶的開啟與調(diào)控，亟待研究和解決。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，一般采用兩種方法實(shí)現(xiàn)石墨烯能帶的開啟與調(diào)控，即﹕摻雜改性和形貌調(diào)控。NatureNanotechnology評(píng)論明確指出﹕要深入挖掘石墨烯的優(yōu)異物理特性，以制備高性能石墨烯FET，其重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵之一是獲得寬度與厚度(即層數(shù))可控的高質(zhì)量石墨烯帶狀結(jié)構(gòu)。帶狀石墨烯因其固有而獨(dú)特的狹長(zhǎng)“扶椅”或“之”狀邊緣結(jié)構(gòu)效應(yīng)、量子限域效應(yīng)而具有豐富的能帶結(jié)構(gòu)，其能隙隨著石墨烯的寬度減小而增大，且和石墨烯的厚度密切相關(guān)，成為石墨烯FET溝道材料的理想選擇。納米碳材料，特別是石墨烯具有極其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，是理想的納電子和光電子材料。石墨烯具有特殊的幾何結(jié)構(gòu)，使得費(fèi)米面附近的電子態(tài)主要為擴(kuò)展π態(tài)。由于沒有表面懸掛鍵，表面和納米碳結(jié)構(gòu)的缺陷對(duì)擴(kuò)展π態(tài)的散射幾乎不太影響電子在這些材料中的傳輸，室溫下電子和空穴在石墨烯中均具有極高的本征遷移率(大于100000cm2/(V·s))，超出最好的半導(dǎo)體材料(典型的硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電子遷移率為1000cm2/(V·s))。

作為電子材料，石墨烯可以通過控制其結(jié)構(gòu)得到金屬和半導(dǎo)體性管。在小偏壓的情況下，電子的能量不足以激發(fā)石墨烯中的光學(xué)聲子，但與石墨烯中的聲學(xué)聲子的相互作用又很弱，其平均自由程可長(zhǎng)達(dá)數(shù)微米，使得載流子在典型的幾百納米長(zhǎng)的石墨烯器件中呈現(xiàn)完美的彈道輸運(yùn)特征。典型的金屬性石墨烯中電子的費(fèi)米速度為υF=8×10e5m/s，室溫電阻率為ρ=10E6Ω-cm，性能優(yōu)于最好的金屬導(dǎo)體，例如其電導(dǎo)率超過銅。由于石墨烯結(jié)構(gòu)中的C–C鍵是自然界中最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一，不但具有極佳的導(dǎo)電性能，其熱導(dǎo)率也遠(yuǎn)超已知的最好的熱導(dǎo)體，達(dá)到6000W/mK。此外石墨烯結(jié)構(gòu)沒有金屬中的那種可以導(dǎo)致原子運(yùn)動(dòng)的低能缺陷或位錯(cuò)，因而可以承受超過10e9A/cm2的電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過集成電路中銅互連線所能承受的10e6A/cm2的上限，是理想的納米尺度的導(dǎo)電材料。理論分析表明，基于石墨烯結(jié)構(gòu)的電子器件可以有非常好的高頻響應(yīng)，對(duì)于彈道輸運(yùn)的晶體管其工作頻率有望超過THz,性能優(yōu)于所有已知的半導(dǎo)體材料。

現(xiàn)代信息技術(shù)的基石是集成電路芯片，而構(gòu)成集成電路芯片的器件中約90%是源于硅基CMOS（complementarymetal-oxide-semiconductor)，互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體)技術(shù)，而硅基CMOS技術(shù)的發(fā)展在2005年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors,ITRS)宣布將在2020年達(dá)到其性能極限。原因在CMOS技術(shù)的核心是高性能電子(n-)型和空穴(p-)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fieldeffecttransistor,FET)的制備，以及將這兩種互補(bǔ)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管集成的技術(shù)。隨著晶體管尺度的縮小，器件加工的均勻性問題變得越來越嚴(yán)重，其中最為重要的是器件的加工精度和摻雜均勻性的問題。采用傳統(tǒng)的微電子加工技術(shù)，目前最好的加工精度約為5nm。隨著器件尺度的不斷縮小，對(duì)應(yīng)的晶體管通道的物理長(zhǎng)度僅為十幾納米，場(chǎng)效應(yīng)晶體管源漏電極之間的載流子通道的長(zhǎng)度的不確定性將不再可以忽略不計(jì)，所以半導(dǎo)體材料中的摻雜均勻性問題將是另一個(gè)難以克服的問題。

這個(gè)領(lǐng)域的主流方向一直是沿用硅基技術(shù)的思路，即通過摻雜，例如K摻雜來制備石墨烯n型器件，但結(jié)果都不盡如人意。其中主要的問題是石墨烯具有一個(gè)非常完美的結(jié)構(gòu)，表面完全沒有懸掛鍵，一般不和雜質(zhì)原子成鍵，是自然的本征材料。采用與石墨烯結(jié)合較弱的K原子摻雜結(jié)果一是不穩(wěn)定，二是很難控制，不大可能滿足高性能集成電路的要求。2005年美國(guó)Intel公司Chau等人對(duì)納米電子學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了總結(jié),他們對(duì)石墨烯基器件的主要結(jié)論是:雖然其p型晶體管的性能遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的硅基器件,但其n型石墨烯晶體管的性能則遠(yuǎn)遜于相同尺寸的硅基器件。集成電路的發(fā)展要求性能匹配的p型和n型晶體管，n型碳石墨烯晶體管性能的落后嚴(yán)重制約了石墨烯電子學(xué)的發(fā)展,發(fā)展穩(wěn)定的高性能n型石墨烯器件成了2005年之后石墨烯CMOS電路研究領(lǐng)域最重要的課題之一。

從目前石墨烯電子學(xué)已經(jīng)取得的進(jìn)展來看，至少有兩個(gè)重要的方面是可以確認(rèn)的。第一是石墨烯器件相對(duì)于硅基器件來說具有更好的特性，無論是速度、功耗還是可縮減性，而且可以被推進(jìn)到8nm甚至5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，這正是2020年之后數(shù)字電路的目標(biāo)。第二是石墨烯的數(shù)字集成電路的方案是可行的。在實(shí)驗(yàn)室人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)各種功能的電路，原則上已經(jīng)可以制備任意復(fù)雜的集成電路，特別是2013年9月26日美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員在《Natures》雜志上報(bào)道采用碳納米管制造出由178個(gè)晶體管組成的計(jì)算機(jī)原型。

雖然目前這個(gè)原型機(jī)尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先進(jìn)計(jì)算機(jī)比肩，但這項(xiàng)工作在國(guó)際上引起了巨大反響,使得人們看到了碳基電子學(xué)時(shí)代初露的曙光。IBM發(fā)表的系統(tǒng)計(jì)算表明，石墨烯基的芯片不論在性能和功耗方面都將比硅基芯片有大幅改善。例如，從硅基7nm到5nm技術(shù)，芯片速度大約有20%的增加。但石墨烯7nm技術(shù)較硅基7nm技術(shù)速度的提高高達(dá)300%，相當(dāng)15代硅基技術(shù)的改善。目前石墨烯材料的主要挑戰(zhàn)來源于規(guī)模生產(chǎn)面臨的高可控性材料加工問題，即必須在絕緣襯底上定位生長(zhǎng)出所需管徑大小的半導(dǎo)體石墨烯。但是到目前為止，對(duì)石墨烯生長(zhǎng)進(jìn)行嚴(yán)格的控制還是沒有實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)問題是供應(yīng)鏈的問題，硅的成本及穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)還在，芯片廠及封裝廠誰愿意開第一槍，就讓我們拭目以待。