石墨片能快速排熱
- 上線日期：2010/1/19 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
IBM的研究人員指出，與傳統的矽電晶體相較之下，外加偏壓的石墨片(graphene)能更快地將熱能散逸至基板上。由於散熱問題已成奈米電子元件發展的核心挑戰之一，這項結果對於未來設計製作石墨片電子元件將舉足輕重。
石墨片自從2004年登場後，優異的電性及力學性質不斷讓科學家驚豔。石墨片能應用於許多元件上，甚至被認為未來能取代矽成為新一代電子材料，因此被稱為「神奇材料」。石墨片為已知最薄的材料，係由具六角晶格結構的碳原子所組成。由於其電子行為類似無靜止質量的相對論性粒子，能以極高速度在材料中運動，因此石墨片可能製造出比目前更快的電晶體。
然而，石墨片就跟其他材料一樣也有問題待解決。IBM TJ Watson研究中心的Phaedon Avouris等人發現當石墨片元件操作於飽和電流區時，溫度上升相當可觀。由於高效能石墨片元件經常需要在飽和區操作，如何避免過熱將是一待解難題。
研究人員發現大部分的熱能都直接流向底部的氧化矽基板。他們認為能量的轉移與遠端散射(remote-scattering)機制有關，在過程中，石墨片的電子會將部份能量直接轉移至氧化矽基板的表面震動(即聲子)。雖然該效應亦會發生於矽電晶體，但程度卻遠不及石墨片元件。該小組的Marcus Freitag表示，這是因為矽的傳導電子距離介面約有數奈米遠，而耦合強度隨距離迅速衰減。相形之下石墨片僅有單原子厚，氧化矽表面聲子能直接與石墨片中的傳導電子耦合，因此表面聲子散射強多了。
IBM團隊利用光學顯微鏡並結合電子傳輸量測，獲得主動式石墨片電晶體的溫度分布。研究人員紀錄石墨片元件上各點的拉曼光譜，來建立溫度分部的圖像，並利用熱流模型計算熱能如何在石墨片元件間傳導。
Freitag表示，表面聲子散射機制不僅可以解釋石墨片及閘極氧化矽間的低熱阻，也解釋了他們觀察到的飽和區電流-電壓特徵。他們的研究顯示在石墨片元件中，基板交互作用遠比在傳統金氧半場效電晶體和異質結構中來得重要，因此工程師必須發展不會捕獲電子的基板以及非極化基板。詳見arxiv.org/abs/0912.0531。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/41372
譯者:劉家銘(成功大學物理系)
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