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碳晶片技術新突破:用水蒸氣開啟石墨烯能隙

上網時間: 2010年11月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:石墨烯  倫斯勒理工學院  晶片封裝  能隙  濕度 

石墨薄片──也就是石墨烯(graphene)──由於具備比傳統矽晶片高出百萬倍的導電性能,因此是頗具潛力的晶片上互連層(interconnection layers)替代材料。但若要用石墨烯製作半導體,需要開啟讓電子跳躍過的能隙(bandgap),以做為讓數位電腦運作的開關。

美國倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute,RPI)的研究人員表示,他們已經發現了一種簡單的方法,能用水來開啟石墨烯的能隙。此外研究人員也證實了可透過控制晶片封裝內的濕度,為特定應用調節石墨烯能隙。

材料的能隙是指從價帶(valence band,內含電子緊密結合之原子軌道)底部到導帶(conduction band,內有自由電子軌道)頂端的能量差距;在銅線等純導體中,價帶與導帶間並沒有能隙,因此當一個電壓電位(voltage potential)出現時,所有的電子都是「待價而沽」的。

至於在純絕緣體中,價帶與導帶之間有非常大的能隙,兩者必須要有超越材料擊穿電壓(breakdown voltage)才能橋接。而在純導體與純絕緣體之間的半導體,有一種磁阻(reluctance)可讓電子跨越能隙,並能支援讓數位電子元件運作的開關機制。

IBM曾在今年稍早宣佈,該公司所研發的雙閘、雙層(dual-gate bi-layer)石墨烯架構,能有效地開啟.13電子伏特(electron volts,eV)的能隙;倫斯勒理工學院教授Nikhil Koratkar所率領的團隊,則是用簡單的水蒸氣就能開啟.2eV的能隙。

此外,倫斯勒理工學院的研究人員也發現,只要透過控制晶片封裝內的濕度,就能在0~.2eV (0是純金屬導體的能隙,.2eV是適用於紅外線探測器的半導體能隙)的範圍內,針對不同特定應用的需求,任意調節石墨烯能隙。

根據Koratkar的說法,目前的晶片封裝技術應該可讓晶片廠商在特定的元件或是電腦晶片週圍,製作一個小小的圍場(enclosure),利用該空間,就能很容易地控制濕度。

石墨烯薄膜
研究人員以四點探針(four-point probe)對氧化矽基板上的石墨烯薄膜進行電氣測試

(參考原文: Graphene bandgap opened by vapor,by R. Colin Johnson)





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