石墨烯電晶體，垂直登場！
- 上線日期：2012/3/19 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
導電性極佳的石墨烯(graphene)是電子應用的理想材料，然而這個優點在設計開關元件時卻適得其反，原因是極高的電導率使元件無法處於完全關閉狀態。最近，英國科學家研發出一種具有垂直結構的新型石墨烯電晶體，利用夾在石墨烯層之間的氮化硼(BN)或二硫化鉬(MoS2)作為縱向穿隧電流屏障，即使在室溫下也能抑制漏電流。
石墨烯是具有六角晶格結構的單原子厚平面碳材料，自2004年問世後，不斷以其優越的電子和機械特性驚豔科學界。有人認為石墨烯將來會取代矽成為電子業的最愛，原因是石墨烯的電子行為類似無靜止質量的迪拉克(Dirac)粒子，能以極高速度運動。
然而，對這項特點對積體電路卻不受用，原因是積體電路在關閉狀態下應該不耗電，但以石墨烯所製作之元件即使在最佳關閉態仍會導電。此外，這類元件亦無法整合至電腦晶片內，因為流經石墨烯的電流會使晶片融化。
半導體材料可利用能隙來控制電流的開關，石墨烯卻沒有能隙。研究人員提出各種方法來對付此問題，例如使用奈米帶或量子點或透過化學改質使石墨烯變成半導電性。儘管這些方法原則上可行，但產生能隙的同時也破壞了石墨烯，以至於製成的元件不再有超高的電子遷移率。
最近，曼徹斯特大學的Leonid Ponomarenko、Kostya Novoselov與 Andre Geim等人設計出一種新型石墨烯元件：垂直式場效穿隧電晶體(vertical field-effect tunnelling transistor)。這是第一個能有效開關的石墨烯元件，且不需在材料中產生能隙。
此電晶體是由兩片石墨烯夾著絕緣性的BN或MoS2所構成，BN及MoS2層僅有原子級厚度，用來作為石墨烯層間穿隧電流的屏障。此結構的優點是可藉由外加電場來控制穿隧絕緣層的縱向電流。一般絕緣體即可作為穿隧電流屏障，但唯有當絕緣層僅數原子厚時方能輕易測得電流，由於製造石墨烯的「膠帶法」也能用來產生BN與(MoS2)薄片，因此這兩種材料非常適合應用於此結構。
Ponomarenko表示，此元件的工作原理在於外加電壓能大幅改變穿隧電子的能量。該團隊相信這項研究開啟了製作石墨烯積體電路的大門，他們計畫研究石墨烯與其他二維材料結合的可能性、探討元件橫向尺寸縮小至奈米級時的電流行為，以及元件的最高工作頻率。詳見Science｜DOI:10.1126/science.1218461。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/48525
譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:劉家銘
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