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新技術用低成本把石墨烯變半導體

上網時間: 2015年08月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:石墨烯  奈米帶  能隙  CVD  導體 

石墨烯本身缺乏能隙(bandgap),使其得以展現超過每伏特每秒15,000平方公分(cm2/Vs)的驚人速度,比矽晶更快10倍,但卻也只能作為導體使用。而今,由美國威斯康辛大學(University of Wisconsin)教授Michael Arnold帶領的研究團隊以及阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的研究人員們,發現一種可用於生長半導體石墨烯帶(graphene ribbon)及客製其能隙的新技術。

「我們已經找到一種方法可生長不到10nm寬的半導體石墨烯帶,它具有扶手型邊緣(armchair edge),可經由控制奈米帶寬度實現各種不同的能隙,」Arnold解釋。


「扶手型邊緣」石墨烯奈米帶沈積於鍺基板上的示意圖
(來源:University of Wisconsin)

研究人員早已知道在石墨烯帶利用扶手型邊緣取代鋸齒型邊緣,可望為其打開能隙,使其從導體變成一種半導體。然而,時至今日,生長石墨烯最簡單的方法是在銅金屬上進行,然後再將其移植到矽基板上蝕刻成帶狀。Arnold的研究團隊最主要的發現是能夠直接在低成本的鍺表面上更輕易地生長扶手型邊緣的石墨烯帶,從而使其成為一種較矽晶更快10倍的客製半導體。


沈積於鍺基板的窄奈米帶特寫(虛線用於顯示奈米帶邊緣)
(來源:University of Wisconsin)

「我認為威斯康辛大學的研究成果傳達了這樣的一個訊息:你並不需要擁有像英特爾(Intel)或IBM的資源,也能在石墨烯上實現突破性進展,」The Envisioneering Group研究總監Richard Doherty表示:「在材料科學方面,還有許多值得我們學習之處,而化學與石墨烯的佈局或許還有更多需要進一步的探索。」

鍺晶圓比矽晶圓更便宜,讓Arnold及其研究團隊決定直接在鍺晶圓上生長原子級的石墨烯薄層,但根據Arnold指出,利用化學氣相沈積(CVD)先在鍺單層上沈積,也可以在矽晶圓上取得相同的結果。

「其關鍵在於鍺與石墨烯之間的晶格匹配,使得利用標準CVD也能輕鬆生長箭頭直線型的石墨烯帶,」Arnold表示。


三張漸進視圖顯示石墨烯奈米帶彼此之間如何僅相互垂直生長與形成。
(來源:University of Wisconsin)

Arnold的團隊還發現了一個奇怪的現象:在利用CVD途徑時,石墨烯奈米帶似乎會以隨機的方式生長,全部採任一方向或彼此垂直的方式生長(如上圖)。現在,研究人員想找到能夠限制在電路位置精確啟動奈米帶集結生長的方式。為了實現這個目標,研究團隊想知道石墨烯為什麼以及如何挑選特定位置開始生長;此外,他們也打算利用這些知識打造像石墨烯電晶體、感測器與光電元件等複雜的電路。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Graphene Ribbons Grow on Germanium,by R. Colin Johnson)





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