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)米能級處其電導(dǎo)率不會像一般半導(dǎo)體一樣降為零，而是達(dá)到一個最小值，這對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)報道，一般采用兩種方法實現(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“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，其平均自由程可長達(dá)數(shù)微米，使得載流子在典型的幾百納米長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)動的低能缺陷或位錯，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-)型場效應(yīng)晶體管(fieldeffecttransistor,FET)的制備，以及將這兩種互補(bǔ)的場效應(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，對應(yīng)的晶體管通道的物理長度僅為十幾納米，場效應(yīng)晶體管源漏電極之間的載流子通道的長度的不確定性將不再可以忽略不計，所以半導(dǎo)體材料中的摻雜均勻性問題將是另一個難以克服的問題。

這個領(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Intel公司Chau等人對納米電子學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了總結(jié),他們對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，至少有兩個重要的方面是可以確認(rèn)的。第一是石墨烯器件相對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。在實驗室人們已經(jīng)實現(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日美國斯坦福大學(xué)的研究人員在《Natures》雜志上報道采用碳納米管制造出由178個晶體管組成的計算機(jī)原型。

雖然目前這個原型機(jī)尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先進(jìn)計算機(jī)比肩，但這項工作在國際上引起了巨大反響,使得人們看到了碳基電子學(xué)時代初露的曙光。IBM發(fā)表的系統(tǒng)計算表明，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出所需管徑大小的半導(dǎo)體石墨烯。但是到目前為止，對石墨烯生長進(jìn)行嚴(yán)格的控制還是沒有實現(xiàn)。另一個問題是供應(yīng)鏈的問題，硅的成本及穩(wěn)定性的優(yōu)勢還在，芯片廠及封裝廠誰愿意開第一槍，就讓我們拭目以待。