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科學家:純石墨烯不適合當矽材料接班人

上網時間: 2014年05月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:石墨烯  能隙  矽材料  MIT  哈佛大學 

石墨烯(graphene)成為半導體矽材料的接班人,已經成為美國、日本、歐洲甚至是中國等地政府大力支持的優先研究項目;但因為石墨烯缺乏能隙(bandgap)的自然特性,美國麻省理工學院(MIT)與哈佛大學(Harvard University)的研究人員認為大家可能都搞錯了方向,應該是找尋性能媲美石墨烯、但具備能隙的化合物材料。

研究人員指出,有一類以NiHITP (nickel hexa-imino-triphenylene)為代表的材料,就擁有上述特性。MIT化學教授Mircea Dinca表示:「就像石墨可剝離為石墨烯(也不過就是片狀的石墨),我們所開發的材料也能剝離成片狀;相較於石墨烯層,我們的材料層是能透過受控制的化學改質(chemical modification)來調節,因此能有系統地改變其電子特性。」

該種新開發材料的正式名稱是「Ni3(HITP)2」,因為它鍵合了鎳(Ni)的3個原子以及2個HITP有機分子;不過NiHITP只是一個具備天然能隙之材料類別中的第一種,能針對特定應用在原子等級調節其電子功能。

類石墨烯材料的分子架構會自然形成六角形晶格,而每個六角形的開口都能完全對齊
類石墨烯材料的分子架構會自然形成六角形晶格,而每個六角形的開口都能完全對齊

Dinca指出:「我們還沒量測出這種材料的能隙,但確定它大於0;石墨烯的能隙是0,並不適合做為半導體。我們現在正試圖將該種材料製作成大尺寸的片狀,首先要量測它的能隙並能更清楚描述其電子特性,其次則是用該種材料來製作元件;而這也是我們所面臨的挑戰。」

此外Dinca也表示,由於還有許多可調節的空間,真的看不到在生產更多材料方面的限制;而他們已經有數種其他相關的二維材料,應該都擁有些微不同的電子特性,這也正是他們正在尋找的,可調節的金屬-有機類石墨烯。

Dinca的研究團隊並非以傳統方式透過摻雜(doping)將雜質或缺陷導入NiHITP這種新材料,其方法是謹慎在原子層級打造該類材料──也就是在製程中由下至上(bottom-up)調諧其功能,以支援特定的電子、甚至可能是光學特性。

根據Dinca的說法:「我們的材料是從原子層級就被明確定義;這就是關鍵所在,我們不是依靠缺陷,那無法被妥善理解而且無法良好控制;我們所創造的材料特性,能透過分子結構從本質上進行修改。我們能用由下至上、一個分子一個分子的方式來進行。」

NIHITP就像石墨烯一樣,會自組裝成完美的六角形蜂巢狀晶格,並堆疊成多層、每一層的六角形開口都能完全對齊,孔洞的厚度僅有2奈米。

掃描式電子顯微鏡下顯示二維架構集合所形成的奈米粒子
掃描式電子顯微鏡下顯示二維架構集合所形成的奈米粒子 (來源:MIT)

接下來研究人員打算製作單層狀(monolayer)新材料,以精確量測其能隙,並用以生產電子元件;研究小組也將利用不同化學配方打造出一系列相關材料,針對不同應用從基礎元素調節其特性。例如能擷取不同波長光線的太陽能電池、或是具備超高儲存密度的超級電容,甚至是拓樸絕緣體(topological insulator)、量子霍爾效應元件(quantum Hall Effect device)。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Graphene-Analog Outperforms Original,by R. Colin Johnson)





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