2015年9月4日

全平面一族 引領風潮的半導體材料

作者/高憲章(任職於淡江大學化學系,負責「化學遊樂趣」計畫,隨一台行動化學車全臺跑透透,說故事作實驗分享化學給學生們)

一塊石墨、一個石墨烯電晶體和一卷膠帶,這是由2010年諾貝爾物理獎得主海姆(Andre Geim) 和諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)捐贈給諾貝爾博物館(圖一)的紀念。石墨烯這個全平面、透明的良好導體,被神奇的以膠帶製備出來後,在半導體產業界掀起一陣風潮,而科學家們希望能夠找到更多類似石墨烯的材料。
圖一:只要用一塊石墨和一卷膠帶,就能製備出石墨烯。(wiki)

膠帶與半導體
石墨烯是碳原子以石墨的方式排列,但僅以平面單原子層的狀態存在,是目前世界上最薄的一種材料(圖二)。石墨烯具有許多夢幻般的性質,從鍵結的觀點來看,碳原子以sp2混成軌域鍵結,碳與碳之間的鍵長為1.42 Å,鍵角120度,呈現蜂窩狀的平面結構,只有奈米等級的厚度,雖然薄但是因碳—碳間是共軛雙鍵所以比鑽石還硬,只會吸收2.3%的光,所以呈現幾近透明的樣貌。在常溫下,石墨烯的電阻比銅或銀還低。石墨烯具備許多特殊性質,這些特質在我們用鉛筆寫字的時候,就被我們不經意地製作出來。在過去,這些石墨烯的碎片隨意散落在紙上,從來都沒人注意到這堆細微的粉末,直到海姆和諾沃肖洛夫的驚人發現,才引發了全世界科學家們的研究熱潮。這個材料從過去的極度昂貴,到現在我們已可用相對低廉的成本,製作出大面積的石墨烯薄膜。
圖二:石墨烯的分子結構。(wiki)

現今,石墨烯被應用在各產業上。但是石墨烯也有缺點,就是不具有能隙(Bandgap)。能隙是半導體材料中導帶和價帶的能量差,是重要的電子特性。半導體材料的能隙約1至3電子伏特,在一般狀態下半導體材料不導電,但是只需要給予適當條件的能量激發,就能成為導體。有這樣能隙特性的材料,才能夠進入「0 與1」的世界中。石墨烯由碳元素組成,在這個全平面的共軛系統下,石墨烯的電子性質比較類似金屬,不具有能隙,也就是電子一下子就能從價帶跳至傳導帶,在傳導帶中任意的移動而導電。因此石墨烯必須透過施加電場或是參雜其他原子等複雜的方式,才能作為半導體材料。所以除了石墨烯之外,科學家們也嘗試開發其他具有類似石墨烯特性的材料直到2014年,化學家們終於找到另外一個元素──磷,它能用以製備既薄又具有高導電度的材料。......【更多內容請閱讀科學月刊第549期】

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