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科学家:纯石墨烯不适合当硅材料接班人(半导体行业信息网5.8)

time:2016-7-20 浏览次数:5673次    【关闭】

  让石墨烯(graphene)成为半导体矽材料的接班人,已经成为美国、日本、欧洲甚至是中国等地政府大力支持的优先研究项目;但因为石墨烯缺乏能隙(bandgap)的自然特性,美国麻省理工学院(mit)与哈佛大学(harvarduniversity)的研究人员认为大家可能都搞错了方向,应该是找寻性能媲美石墨烯、但具备能隙的化合物材料。   研究人员指出,有一类以nihitp(nickelhexa-imino-triphenylene)为代表的材料,就拥有上述特性。mit化学教授mirceadinca表示:「就像石墨可剥离为石墨烯(也不过就是片状的石墨),我们所开发的材料也能剥离成片状;相较于石墨烯层,我们的材料层是能透过受控制的化学改质(chemicalmodification)来调节,因此能有系统地改变其电子特性。」   

  该种新开发材料的正式名称是「ni3(hitp)2」,因为它键合了镍(ni)的3个原子以及2个hitp有机分子;不过nihitp只是一个具备天然能隙之材料类别中的第一种,能针对特定应用在原子等级调节其电子功能。   类石墨烯材料的分子架构会自然形成六角形晶格,而每个六角形的开口都能完全对齐 dinca指出:我们还没量测出这种材料的能隙,但确定它大于0;石墨烯的能隙是0,并不适合做为半导体。我们现在正试图将该种材料制作成大尺寸的片状,首先要量测它的能隙并能更清楚描述其电子特性,其次则是用该种材料来制作元件;而这也是我们所面临的挑战。

  此外dinca也表示,由于还有许多可调节的空间,真的看不到在生产更多材料方面的限制;而他们已经有数种其他相关的二维材料,应该都拥有些微不同的电子特性,这也正是他们正在寻找的,可调节的金属-有机类石墨烯。 dinca的研究团队并非以传统方式透过掺杂(doping)将杂质或缺陷导入nihitp这种新材料,其方法是谨慎在原子层级打造该类材料──也就是在制程中由下至上(bottom-up)调谐其功能,以支援特定的电子、甚至可能是光学特性。   

  根据dinca的说法:「我们的材料是从原子层级就被明确定义;这就是关键所在,我们不是依靠缺陷,那无法被妥善理解而且无法良好控制;我们所创造的材料特性,能透过分子结构从本质上进行修改。我们能用由下至上、一个分子一个分子的方式来进行。」 nihitp就像石墨烯一样,会自组装成完美的六角形蜂巢状晶格,并堆叠成多层、每一层的六角形开口都能完全对齐,孔洞的厚度仅有2奈米。   

  扫描式电子显微镜下显示二维架构集合所形成的奈米粒子(来源:mit)   

  接下来研究人员打算制作单层状(monolayer)新材料,以精确量测其能隙,并用以生产电子元件;研究小组也将利用不同化学配方打造出一系列相关材料,针对不同应用从基础元素调节其特性。例如能撷取不同波长光线的太阳能电池、或是具备超高储存密度的超级电容,甚至是拓朴绝缘体(topologicalinsulator)、量子霍尔效应元件(quantumhalleffectdevice)。

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