科學(xué)家找到低成本生長(cháng)半導體石墨烯帶的方法

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

 

“我們已經(jīng)找到一種方法可生長(cháng)不到10nm寬的半導體石墨烯帶，它具有扶手型邊緣(armchair edge)，可經(jīng)由控制納米帶寬度實(shí)現各種不同的能隙，”Arnold解釋。

 

 

“扶手型邊緣”石墨烯納米帶沈積于鍺基板上的示意圖（來(lái)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(kāi)能隙，使其從導體變成一種半導體。然而，時(shí)至今日，生長(cháng)石墨烯最簡(jiǎn)單的方法是在銅金屬上進(jìn)行，然后再將其移植到硅基板上蝕刻成帶狀。Arnold的研究團隊最主要的發(fā)現是能夠直接在低成本的鍺表面上更輕易地生長(cháng)扶手型邊緣的石墨烯帶，從而使其成為一種較硅晶更快10倍的客制半導體。

 

 

沈積于鍺基板的窄納米帶特寫(xiě)(虛線(xiàn)用于顯示納米帶邊緣)（來(lái)源：University of Wisconsin）

 

“我認為威斯康辛大學(xué)的研究成果傳達了這樣的一個(gè)訊息：你并不需要擁有像英特爾(Intel)或IBM的資源，也能在石墨烯上實(shí)現突破性進(jìn)展，”The Envisioneering Group研究總監Richard Doherty表示：“在材料科學(xué)方面，還有許多值得我們學(xué)習之處，而化學(xué)與石墨烯的布局或許還有更多需要進(jìn)一步的探索。”

 

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

 

“其關(guān)鍵在于鍺與石墨烯之間的晶格匹配，使得利用標準CVD也能輕松生長(cháng)箭頭直線(xiàn)型的石墨烯帶，”Arnold表示。

 

 

三張漸進(jìn)視圖顯示石墨烯納米帶彼此之間如何僅相互垂直生長(cháng)與形成。（來(lái)源：University of Wisconsin）

 

Arnold的團隊還發(fā)現了一個(gè)奇怪的現象：在利用CVD途徑時(shí)，石墨烯納米帶似乎會(huì )以隨機的方式生長(cháng)，全部采任一方向或彼此垂直的方式生長(cháng)(如上圖)?，F在，研究人員想找到能夠限制在電路位置精確啟動(dòng)納米帶集結生長(cháng)的方式。為了實(shí)現這個(gè)目標，研究團隊想知道石墨烯為什么以及如何挑選特定位置開(kāi)始生長(cháng)；此外，他們也打算利用這些知識打造像石墨烯晶體管、傳感器與光電組件等復雜的電路。