石墨烯“變身”成為低價(jià)半導(dǎo)體

石墨烯是近年來(lái)備受關(guān)注的一種新型材料，其在傳遞速度上的優(yōu)勢(shì)讓學(xué)者們震驚。石墨烯的傳遞速度比硅晶快十倍，因此關(guān)于將石墨烯應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究開(kāi)始大規(guī)模展開(kāi)。近日，美國(guó)的研究者們發(fā)現(xiàn)了關(guān)于石墨烯的新應(yīng)用，一種可用于生長(zhǎng)半導(dǎo)體石墨烯帶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(zhǎng)不到10nm寬的半導(dǎo)體石墨烯帶，它具有扶手型邊緣(armchairedge)，可經(jīng)由控制納米帶寬度實(shí)現(xiàn)各種不同的能隙，”研發(fā)人員解釋。

圖1“扶手型邊緣”石墨烯納米帶沈積于鍺基板上

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(dǎo)體變成一種半導(dǎo)體。然而，時(shí)至今日，生長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)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(zhǎng)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。

圖2沉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)

“我認(rèn)為威斯康辛大學(xué)的研究成果傳達(dá)了這樣的一個(gè)信息：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(xiàn)突破性進(jìn)展，”研究總監(jiān)RichardDoherty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(jìn)一步的探索。”

鍺晶圓比硅晶圓更便宜，讓Arnold及其研究團(tuán)隊(duì)決定直接在鍺晶圓上生長(zhǎng)原子級(jí)的石墨烯薄層，但根據(jù)Arnold指出，利用化學(xué)氣相沉積(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(biāo)準(zhǔn)CVD也能輕松生長(zhǎng)箭頭直線(xiàn)型的石墨烯帶。

圖3三張漸進(jìn)視圖顯示石墨烯納米帶彼此之間如何僅相互垂直生長(zhǎng)與形成

在研發(fā)過(guò)程中團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，使用CVD途徑會(huì)讓石墨烯納米帶以不可控的方式生長(zhǎng)，方向統(tǒng)一或彼此垂直(見(jiàn)圖3)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)想要獲得一種能夠精確啟動(dòng)納米帶集結(jié)的生長(zhǎng)方式，因此首先要確定石墨烯為何從特定的i位置開(kāi)始生長(zhǎng)，這將有助于石墨烯晶體管或傳感器等復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)。