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科学家结合异质材料催生新一代电子元件

2019年08月15日 栏目:旅游

美国莱斯大学(RiceUniversity)与橡树岭国家实验室(OakRidgeNationalLaboratory,ORNL)的科学家们,

  美国莱斯大学(RiceUniversity)与橡树岭国家实验室(OakRidgeNationalLaboratory,ORNL)的科学家们,近提升了采用单原子厚度半导体材料制作新一代电子元件的可能性;该研发团队发现,他们能藉由蓄意在基板上导入缺陷,改善在化学气相沉积(CVD)熔炉中制作出的二硫化钼(molybdenumdisulphide)单分子层(monolayer)。

  该研究团队并指出,将新开发的制程添加至先前他们在结合石墨烯与六角形排列氮化硼(boronnitride)材料上的研发成果,可提升制作出定制晶体的可能性,并实现包括场效电晶体、整合逻辑电路、光侦测器(photodetectors,MDS)以及软性光电元件等的化。

  科学家对于两种不同材料介面之间的二维电子气(2-Delectrongas)特性之研究,已经持续许多年;石墨烯──也就是碳以单原子层模式六角形排列──展现了优异的电子迁移率、热传导性以及强度,不过石墨烯这种卓越的导体并非能呈现六角形单原子层排列的材料,还有属于半导体的二硫化钼,以及是一种绝缘体的六角形氮化硼(hBN)。

  成员包括莱斯大学机械工程系与材料科学系教授JunLou、PulickelAjayan与BorisYakobson,以及橡树岭国家实验室院士WuZhou、研究员Juan-CarlosIdrobo的研究团队,正在试图结合以上三种材料来打造2D电子元件;该团队先前已经完成石墨烯与六角形氮化硼的结合,但二硫化钼生长不易,早期CVD实验所产出的是不实用的细小晶粒。

  「二硫化钼材料不像hBN与石墨烯,不容易成核(nucleate);」亦参与该研究的莱斯大学研究生SinaNajmaei表示:「我们开始发现能藉由在基板上添加人造边缘(artificialedge),来控制其成核现象(nucleation),而且现在该种材料在那样的结构之间生长效果较佳。」

  莱斯大学教授Lou则表示:「现在我们能长出约100微米(micron)直径的晶体颗粒,其宽度虽然还比人的头发细,但在奈米世界里面已经够大。」

  橡树岭国家实验室所制作的二维二硫化钼结构示意图(左)与实验影像(右) 图片由莱斯大学提供

  当莱斯大学研究团队能长出上图由橡树岭国家实验室透过像差校正扫描透射电子显微镜看到的二硫化钼晶粒时,研究团队接着量测正规与缺陷结构的能阶(energylevel),并确认了先前预测的现象,包括沿着二硫化钼晶粒边界运作的传导「线」。

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