科學(xué)家結(jié)合異質(zhì)材料催生新一代電子元件

美國(guó)萊斯大學(xué)(Rice University)與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory，ORNL)的科學(xué)家們，最近提升了采用單原子厚度半導(dǎo)體材料制作新一代電子元件的可能性;該研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們能藉由蓄意在基板上導(dǎo)入缺陷，改善在化學(xué)氣相沉積(CVD)熔爐中制作出的二硫化鉬(molybdenum disulphide)單分子層(monolayer)。

該研究團(tuán)隊(duì)并指出，將新開(kāi)發(fā)的制程添加至先前他們?cè)诮Y(jié)合石墨烯與六角形排列氮化硼(boron nitride)材料上的研發(fā)成果，可提升制作出定制晶體的可能性，并實(shí)現(xiàn)包括場(chǎng)效電晶體、整合邏輯電路、光偵測(cè)器(photodetectors，MDS)以及軟性光電元件等的最佳化。

科學(xué)家對(duì)于兩種不同材料介面之間的二維電子氣(2-D electron gas)特性之研究，已經(jīng)持續(xù)許多年;石墨烯──也就是碳以單原子層模式六角形排列──展現(xiàn)了優(yōu)異的電子遷移率、熱傳導(dǎo)性以及強(qiáng)度，不過(guò)石墨烯這種卓越的導(dǎo)體并非唯一能呈現(xiàn)六角形單原子層排列的材料，還有屬于半導(dǎo)體的二硫化鉬，以及是一種絕緣體的六角形氮化硼(hBN)。

成員包括萊斯大學(xué)機(jī)械工程系與材料科學(xué)系教授Jun Lou、Pulickel Ajayan與Boris Yakobson，以及橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室院士Wu Zhou、研究員Juan-Carlos Idrobo的研究團(tuán)隊(duì)，正在試圖結(jié)合以上三種材料來(lái)打造2D電子元件;該團(tuán)隊(duì)先前已經(jīng)完成石墨烯與六角形氮化硼的結(jié)合，但二硫化鉬生長(zhǎng)不易，早期CVD實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)出的是不實(shí)用的細(xì)小晶粒。

「二硫化鉬材料不像hBN與石墨烯，不容易成核(nucleate);」亦參與該研究的萊斯大學(xué)研究生Sina Najmaei表示：「我們開(kāi)始發(fā)現(xiàn)能藉由在基板上添加人造邊緣(artificial edge)，來(lái)控制其成核現(xiàn)象(nucleation)，而且現(xiàn)在該種材料在那樣的結(jié)構(gòu)之間生長(zhǎng)效果較佳?！?/p>

萊斯大學(xué)教授Lou則表示：「現(xiàn)在我們能長(zhǎng)出約100微米(micron)直徑的晶體顆粒，其寬度雖然還比人的頭發(fā)細(xì)，但在奈米世界里面已經(jīng)夠大?！?/p>

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所制作的二維二硫化鉬結(jié)構(gòu)示意圖(左)與實(shí)驗(yàn)影像(右)—圖片由萊斯大學(xué)提供

當(dāng)萊斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)能長(zhǎng)出上圖由橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室透過(guò)像差校正掃描透射電子顯微鏡看到的二硫化鉬晶粒時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)接著量測(cè)正規(guī)與缺陷結(jié)構(gòu)的能階(energy level)，并確認(rèn)了先前預(yù)測(cè)的現(xiàn)象，包括沿著二硫化鉬晶粒邊界運(yùn)作的傳導(dǎo)線(xiàn)。