科學(xué)家找到低成本生長半導(dǎo)體石墨烯帶的方法

石墨烯本身缺乏能隙(bandgap)，使其得以展現(xiàn)超過每伏特每秒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(dǎo)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驗室(Argonne National Laboratory)的研究人員們，發(fā)現(xiàn)一種可用于生長半導(dǎo)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不到10nm寬的半導(dǎo)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現(xiàn)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(dǎo)體變成一種半導(dǎo)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(xiàn)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硅晶更快10倍的客制半導(dǎo)體。

 

 

沈積于鍺基板的窄納米帶特寫(虛線用于顯示納米帶邊緣)（來源：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，也能在石墨烯上實現(xiàn)突破性進展，”The Envisioneering Group研究總監(jiān)Richard Doherty表示：“在材料科學(xué)方面，還有許多值得我們學(xué)習(xí)之處，而化學(xué)與石墨烯的布局或許還有更多需要進一步的探索。”

 

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原子級的石墨烯薄層，但根據(jù)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(jié)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也能輕松生長箭頭直線型的石墨烯帶，”Arnold表示。

 

 

三張漸進視圖顯示石墨烯納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(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：在利用CVD途徑時，石墨烯納米帶似乎會以隨機的方式生長，全部采任一方向或彼此垂直的方式生長(如上圖)?，F(xiàn)在，研究人員想找到能夠限制在電路位置精確啟動納米帶集結(jié)生長的方式。為了實現(xiàn)這個目標，研究團隊想知道石墨烯為什么以及如何挑選特定位置開始生長；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(fù)雜的電路。