科學(xué)家:純石墨烯不適合當(dāng)硅材料接班人

時(shí)間：2014-05-09 20:17:14

關(guān)鍵字：石墨烯 MIT 半導(dǎo)體新材料

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[導(dǎo)讀]讓石墨烯(graphene)成為半導(dǎo)體矽材料的接班人，已經(jīng)成為美國(guó)、日本、歐洲甚至是中國(guó)等地政府大力支持的優(yōu)先研究項(xiàng)目；但因?yàn)槭┤狈δ芟?bandgap)的自然特性，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)與哈佛大學(xué)(HarvardUniversity

讓石墨烯(graphene)成為半導(dǎo)體矽材料的接班人，已經(jīng)成為美國(guó)、日本、歐洲甚至是中國(guó)等地政府大力支持的優(yōu)先研究項(xiàng)目；但因?yàn)槭┤狈δ芟?bandgap)的自然特性，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)與哈佛大學(xué)(HarvardUniversity)的研究人員認(rèn)為大家可能都搞錯(cuò)了方向，應(yīng)該是找尋性能媲美石墨烯、但具備能隙的化合物材料。

研究人員指出，有一類以NiHITP(nickelhexa-imino-triphenylene)為代表的材料，就擁有上述特性。MIT化學(xué)教授MirceaDinca表示：「就像石墨可剝離為石墨烯(也不過就是片狀的石墨)，我們所開發(fā)的材料也能剝離成片狀；相較于石墨烯層，我們的材料層是能透過受控制的化學(xué)改質(zhì)(chemicalmodification)來調(diào)節(jié)，因此能有系統(tǒng)地改變其電子特性。」

該種新開發(fā)材料的正式名稱是「Ni3(HITP)2」，因?yàn)樗I合了鎳(Ni)的3個(gè)原子以及2個(gè)HITP有機(jī)分子；不過NiHITP只是一個(gè)具備天然能隙之材料類別中的第一種，能針對(duì)特定應(yīng)用在原子等級(jí)調(diào)節(jié)其電子功能。

類石墨烯材料的分子架構(gòu)會(huì)自然形成六角形晶格，而每個(gè)六角形的開口都能完全對(duì)齊

Dinca指出：「我們還沒量測(cè)出這種材料的能隙，但確定它大于0；石墨烯的能隙是0，并不適合做為半導(dǎo)體。我們現(xiàn)在正試圖將該種材料制作成大尺寸的片狀，首先要量測(cè)它的能隙并能更清楚描述其電子特性，其次則是用該種材料來制作元件；而這也是我們所面臨的挑戰(zhàn)?！?BR>
此外Dinca也表示，由于還有許多可調(diào)節(jié)的空間，真的看不到在生產(chǎn)更多材料方面的限制；而他們已經(jīng)有數(shù)種其他相關(guān)的二維材料，應(yīng)該都擁有些微不同的電子特性，這也正是他們正在尋找的，可調(diào)節(jié)的金屬-有機(jī)類石墨烯。

Dinca的研究團(tuán)隊(duì)并非以傳統(tǒng)方式透過摻雜(doping)將雜質(zhì)或缺陷導(dǎo)入NiHITP這種新材料，其方法是謹(jǐn)慎在原子層級(jí)打造該類材料──也就是在制程中由下至上(bottom-up)調(diào)諧其功能，以支援特定的電子、甚至可能是光學(xué)特性。

根據(jù)Dinca的說法：「我們的材料是從原子層級(jí)就被明確定義；這就是關(guān)鍵所在，我們不是依靠缺陷，那無法被妥善理解而且無法良好控制；我們所創(chuàng)造的材料特性，能透過分子結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上進(jìn)行修改。我們能用由下至上、一個(gè)分子一個(gè)分子的方式來進(jìn)行。」

NIHITP就像石墨烯一樣，會(huì)自組裝成完美的六角形蜂巢狀晶格，并堆疊成多層、每一層的六角形開口都能完全對(duì)齊，孔洞的厚度僅有2奈米。

掃描式電子顯微鏡下顯示二維架構(gòu)集合所形成的奈米粒子(來源：MIT)

接下來研究人員打算制作單層狀(monolayer)新材料，以精確量測(cè)其能隙，并用以生產(chǎn)電子元件；研究小組也將利用不同化學(xué)配方打造出一系列相關(guān)材料，針對(duì)不同應(yīng)用從基礎(chǔ)元素調(diào)節(jié)其特性。例如能擷取不同波長(zhǎng)光線的太陽能電池、或是具備超高儲(chǔ)存密度的超級(jí)電容，甚至是拓樸絕緣體(topologicalinsulator)、量子霍爾效應(yīng)元件(quantumHallEffectdevice)。