石墨烯本身缺乏能隙(bandgap)，使其得以展現(xiàn)超過(guò)每伏特每秒15，000平方公分(cm2/Vs)的驚人速度，比硅晶更快10倍，但卻也只能作為導(dǎo)體使用。而今，由美國(guó)威斯康辛大學(xué)(University of Wisconsin)教授Michael Arnold帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)以及阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)的研究人員們，發(fā)現(xiàn)一種可用于生長(zhǎng)半導(dǎo)體石墨烯帶(graphene ribbon)及客製其能隙的新技術(shù)。
「我們已經(jīng)找到一種方法可生長(zhǎng)不到10nm寬的半導(dǎo)體石墨烯帶，它具有扶手型邊緣(armchair edge)，可經(jīng)由控制納米帶寬度實(shí)現(xiàn)各種不同的能隙，」Arnold解釋。
「扶手型邊緣」石墨烯納米帶沉積于鍺基板上的示意圖
研究人員早已知道在石墨烯帶利用扶手型邊緣取代鋸齒型邊緣，可望為其打開(kāi)能隙，使其從導(dǎo)體變成一種半導(dǎo)體。然而，時(shí)至今日，生長(zhǎng)石墨烯最簡(jiǎn)單的方法是在銅金屬上進(jìn)行，然后再將其移植到硅基板上蝕刻成帶狀。Arnold的研究團(tuán)隊(duì)最主要的發(fā)現(xiàn)是能夠直接在低成本的鍺表面上更輕易地生長(zhǎng)扶手型邊緣的石墨烯帶，從而使其成為一種較硅晶更快10倍的客製半導(dǎo)體。
沉積于鍺基板的窄納米帶特寫(虛線用于顯示納米帶邊緣)
「我認(rèn)為威斯康辛大學(xué)的研究成果傳達(dá)了這樣的一個(gè)訊息：你并不需要擁有像英特爾(Intel)或IBM的資源，也能在石墨烯上實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展，」The Envisioneering Group研究總監(jiān)Richard Doherty表示：「在材料科學(xué)方面，還有許多值得我們學(xué)習(xí)之處，而化學(xué)與石墨烯的佈局或許還有更多需要進(jìn)一步的探索。」
鍺晶圓比硅晶圓更便宜，讓Arnold及其研究團(tuán)隊(duì)決定直接在鍺晶圓上生長(zhǎng)原子級(jí)的石墨烯薄層，但根據(jù)Arnold指出，利用化學(xué)氣相沉積(CVD)先在鍺單層上沉積，也可以在硅晶圓上取得相同的結(jié)果。
「其關(guān)鍵在于鍺與石墨烯之間的晶格匹配，使得利用標(biāo)準(zhǔn)CVD也能輕鬆生長(zhǎng)箭頭直線型的石墨烯帶，」Arnold表示。
三張漸進(jìn)視圖顯示石墨烯納米帶彼此之間如何僅相互垂直生長(zhǎng)與形成。
Arnold的團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：在利用CVD途徑時(shí)，石墨烯納米帶似乎會(huì)以隨機(jī)的方式生長(zhǎng)，全部採(cǎi)任一方向或彼此垂直的方式生長(zhǎng)(如上圖)?，F(xiàn)在，研究人員想找到能夠限制在電路位置精確啟動(dòng)納米帶集結(jié)生長(zhǎng)的方式。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)想知道石墨烯為什麼以及如何挑選特定位置開(kāi)始生長(zhǎng);此外，他們也打算利用這些知識(shí)打造像石墨烯電晶體、感測(cè)器與光電元件等複雜的電路。
