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科學家:純石墨烯不適合當硅材料接班人(半導體行業信息網5.8)

time:2016-7-20 瀏覽次數:8483次    【關閉】

  讓石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(graphene)成為半(ban)導體(ti)矽(xi)材(cai)(cai)料(liao)的(de)接班人(ren),已經成為美(mei)國、日本、歐洲甚(shen)至是(shi)中國等地政府(fu)大(da)力支持(chi)的(de)優先(xian)研究(jiu)項目;但因(yin)為石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)缺乏能(neng)(neng)隙(bandgap)的(de)自然特性(xing),美(mei)國麻省理工(gong)學院(mit)與(yu)哈佛大(da)學(harvarduniversity)的(de)研究(jiu)人(ren)員認為大(da)家(jia)可(ke)(ke)能(neng)(neng)都搞錯了(le)方向,應該是(shi)找(zhao)尋性(xing)能(neng)(neng)媲(pi)美(mei)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)、但具(ju)備(bei)能(neng)(neng)隙的(de)化(hua)合物(wu)材(cai)(cai)料(liao)。   研究(jiu)人(ren)員指出(chu),有(you)一類以nihitp(nickelhexa-imino-triphenylene)為代表的(de)材(cai)(cai)料(liao),就擁(yong)有(you)上(shang)述(shu)特性(xing)。mit化(hua)學教授mirceadinca表示:「就像石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)可(ke)(ke)剝離為石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(也不過就是(shi)片狀的(de)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)),我們(men)所(suo)開發的(de)材(cai)(cai)料(liao)也能(neng)(neng)剝離成片狀;相較于石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)層(ceng),我們(men)的(de)材(cai)(cai)料(liao)層(ceng)是(shi)能(neng)(neng)透過受控制的(de)化(hua)學改質(chemicalmodification)來調節,因(yin)此(ci)能(neng)(neng)有(you)系統(tong)地改變其電(dian)子特性(xing)。」   

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

  此外dinca也(ye)表示,由于還有許多(duo)可(ke)(ke)(ke)調節(jie)的(de)(de)空間,真的(de)(de)看不到在生(sheng)產更多(duo)材(cai)料(liao)(liao)方(fang)面(mian)的(de)(de)限(xian)制;而他(ta)(ta)們(men)已經有數(shu)種(zhong)其(qi)他(ta)(ta)相關的(de)(de)二維材(cai)料(liao)(liao),應該都擁有些微不同的(de)(de)電子(zi)特性,這(zhe)也(ye)正是(shi)他(ta)(ta)們(men)正在尋找的(de)(de),可(ke)(ke)(ke)調節(jie)的(de)(de)金(jin)屬-有機(ji)類石墨烯。 dinca的(de)(de)研究團隊并非(fei)以傳統方(fang)式(shi)透(tou)過摻雜(za)(doping)將雜(za)質或(huo)缺陷導(dao)入nihitp這(zhe)種(zhong)新材(cai)料(liao)(liao),其(qi)方(fang)法(fa)是(shi)謹慎在原子(zi)層級打造(zao)該類材(cai)料(liao)(liao)──也(ye)就是(shi)在制程中(zhong)由下(xia)至(zhi)上(bottom-up)調諧其(qi)功能,以支援特定的(de)(de)電子(zi)、甚至(zhi)可(ke)(ke)(ke)能是(shi)光學特性。   

  根據(ju)dinca的說(shuo)法:「我(wo)們的材料是(shi)從原子層(ceng)級就(jiu)被(bei)明確(que)定義;這就(jiu)是(shi)關鍵所(suo)在,我(wo)們不是(shi)依(yi)靠缺陷,那無法被(bei)妥(tuo)善理解(jie)而(er)且無法良(liang)好控制(zhi);我(wo)們所(suo)創造的材料特性(xing),能(neng)(neng)透過分(fen)子結(jie)構從本(ben)質上進行修改。我(wo)們能(neng)(neng)用由下至上、一(yi)個分(fen)子一(yi)個分(fen)子的方式來進行。」 nihitp就(jiu)像石(shi)墨烯一(yi)樣(yang),會自組(zu)裝成(cheng)完美的六角(jiao)形蜂巢狀晶格(ge),并(bing)堆疊成(cheng)多層(ceng)、每一(yi)層(ceng)的六角(jiao)形開口都能(neng)(neng)完全對齊,孔洞的厚度僅有2奈米。   

  掃描式(shi)電子顯微鏡(jing)下顯示(shi)二維架(jia)構集合(he)所形成的奈米粒子(來源(yuan):mit)   

  接(jie)下(xia)來研究人員打算(suan)制作(zuo)單(dan)層狀(monolayer)新材料,以(yi)精確量測其(qi)能(neng)隙,并(bing)用(yong)以(yi)生(sheng)產電子元件;研究小組也將利(li)用(yong)不同化學(xue)配方打造出一(yi)系列相關材料,針對(dui)不同應(ying)用(yong)從基礎元素(su)調節其(qi)特性。例如(ru)能(neng)擷(xie)取不同波長光(guang)線的(de)(de)太陽能(neng)電池、或是具備超高儲存密度(du)的(de)(de)超級(ji)電容,甚至是拓樸絕(jue)緣體(ti)(topologicalinsulator)、量子霍(huo)爾(er)效應(ying)元件(quantumhalleffectdevice)。

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