[新聞] 超越石墨烯的2D材料群，有望成為「後Si」

看板Physics作者sputtering (水煮青蛙全球暖化)時間7年前 (2016/09/25 21:36)推噓1(1推 0噓 5→)

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2016/02/16 00:00 【日經BP社報導】使用組合只有1～3層原子那麼厚的“二維（2D）材料”，擁有不同性能的器件有可能接連出現。比如，像羽衣一樣薄的柔性超高性能微處理器、感測器、大面積超高效率的LED以及太陽能電池等。 2D材料的代表先驅——石墨烯由於具有很多出色的特性而被視作夢幻材料注1）。但是，石墨烯只存在一大課題。那就是帶隙基本為0。雖然可以用於電極材料及模擬元件，但難以用於邏輯電路。注1）比如，石墨烯的理論載流子遷移率高達100萬cm2/Vs，並且導電率是銅（Cu）的大約 100倍，導熱率和機械強度跟金剛石一樣高等等。最近幾年陸續發現的新型2D材料中，也有幾種具有帶隙的材料。其中具有代表性的是六方氮化硼（h-BN）、過渡金屬的硫化物群——TMD♀、以及磷（P）的2D材料——磷烯（ Phosphorene）♀（圖1）。 ♀TMD（Transition Metal Dichalcogenide）＝由MX2結構構成的2D材料。M代表鉬（Mo）及鎢（W）等過渡金屬。X代表硫璜（S）、硒（Se）、碲（Te）等硫族元素。MoS2雖然本體的能帶結構為間接遷移型，但2D材料變成直接遷移型，高效發光。MoS2是n型半導體， WS2是p型半導體。 ♀磷烯（Phosphorene）＝只由P構成的2D材料。由磷烯層疊而成的材料叫做“黑磷（ Black Phosphorus：BP）”，跟石墨一樣，顏色為黑色。半導體不管層數多少都是p型，多層磷烯的帶隙為0.3eV。隨著層數減少，帶隙增大，單層磷烯的帶隙約為1.9eV。 h-BN、TMD及磷烯的原子間結構。h-BN的原子間結構跟石墨烯相近，厚度只有1個原子厚。而TMD有3個原子厚，磷烯有2個原子厚。（點擊放大） h-BN的帶隙達到5.2eV，基本是絕緣體，但TMD、磷烯及由多層磷烯層疊而成的黑磷（BP）的帶隙跟Si等比較接近，作為可代替已接近微細化極限的Si的“後Si”有力候補，開始備受關注。美國德大學奧斯汀分校推斷的採用各種2D材料及IGZO的TFT的性能範圍。色深的點表示該大學試製的TFT的性能值。（b）中各材料的用途實例也是由該大學推斷的。（圖為本站根據IEDM 2015的圖繪製而成）美國德大學奧斯汀分校的研究人員期待採用TMD及BP的TFT實現柔性、輕量、超高性能的無線設備等。目前已試製出TFT，並確認可在數G～數十GHz下工作。以前的柔性器件的半導體材料候補是有機半導體及InGaZnO（IGZO）。但載流子遷移率最高為數十cm2/Vs左右，難以實現GHz工作的器件。可以說隨著TMD和BP的問世，柔性器件的性能差異消失了。通過組合擴大可能性 2D材料越來越多意味著不僅可以彌補石墨烯的弱點，通過組合還可以擴大可實現的器件種類。比如，TMD的一種——MoS2是n型半導體，而TMD的WS2及BP仍是p型，通過組合這些材料，可以構成pn結，可以實現大面積的柔性LED、太陽能電池以及CMOS結構的半導體等。有的組合還實現了跟石墨烯相近的性能。最近備受關注的是像三明治一樣將1片石墨烯夾在2片h-BN之間的h-BN/石墨烯/h-BN。石墨烯容易受接觸材料的影響，這成為其性能降低的一大原因。通過夾在帶隙大、事實上是絕緣體的h-BN之間，預計實際的器件也能夠實現跟石墨烯的理論載流子遷移率——100萬cm2/Vs接近的性能（圖3）。最近的試製實例也獲得了室溫下載流子遷移率為10萬cm2/Vs以上，極低溫下為35萬cm2/Vs的結果。博世正在開發的利用霍爾效應的磁感測器（霍爾感測器）的性能基於各種材料的推斷值和實測值等。霍爾元件的材料為將石墨烯夾在2片h-BN之間（a）。載流子遷移率在室溫下也高達2萬～10萬cm2/Vs。試製感測器的霍爾係數是現有的基於Si的霍爾感測器的100倍。而耗電量只有Si類元件的1/100（推斷值）。實現高靈敏度、省電的磁感測器德國車載設備汽車廠商德國羅伯特博世對此非常關注。該公司還自主開發出了各種感測器，成為其業務支柱之一。該公司利用h-BN/石墨烯/h-BN試製出了利用霍爾效應的磁感測器，左右靈敏度的霍爾係數RH的值為7000（圖3（b））。這是霍爾元件採用Si時的100倍，也超過作為高靈敏霍爾元件材料廣為人知的InSb。並且理論上，耗電量只有Si的1/100。面臨的課題是量產技術。“至少要等5年才能在試產線上量產高品質且大面積的元件”（羅伯特博世公司從事Corporate Research的Robert Roelver）。不過，石墨烯及其他2D材料的製造工藝也在加快開發速度。也有可能用不了5年，採用2D 材料的高性能器件就可以達到實用化。（記者：野澤哲生） -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 36.224.216.111 ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Physics/M.1474810577.A.800.html

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WeiYinChen16

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hank780420

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