2014-05-12

第一個完全以 2D 材料製成的電晶體

First Transistors Made Entirely Of 2-D Materials
http://cen.acs.org/articles/92/web/2014/05/First-Transistors-Made-Entirely-2.html

電子產品:更快、超薄的裝置,使銳利、低耗電的可撓式顯示器成為可能。

By Prachi Patel
May 6, 2014

二個獨立研究團體報告,首個完全以二維電子材料打造的電晶體,使這些裝置成為迄今最薄的。這些電晶體,只有幾個原子厚,因而是透明的,能導致明亮、高解析度的顯示器,十分節能且可以彎曲。

這二個團體的裝置象徵著重要的進展,Deji Akinwande 表示,德州大學 Austin 分校的電機工程師,他沒有涉入這些研究。"彈性與透明的電晶體對於未來的可撓式智慧裝置十分重要," 他說。

電晶體是電開關,那在許多電子裝置中將電流開啟或關閉。在平板顯示器中,以非晶矽(amorphous silicon)製成的薄膜電晶體驅動著個別像素的點亮。科學家對於以更薄半導電材料,諸如二硫化鉬(molybdenum disulfide,MoS2,輝鉬礦)與二硒化鎢(tungsten diselenide,WSe2)來製作電晶體的興趣更加濃厚,因為這些 2D 材料比矽有更好的電氣特性。尤其是 MoS2 與 WSe2 有更大的能隙(band gap,能帶隙)-- 材料在導電與非導電狀態之間的能量差異 -- 故理論上以此類材料製成的電晶體,在啟動時所需的電力比矽基電晶體來的少。

其他研究者之前曾以這些 2D 半導體製造過電晶體,但在其他部份仍使用一般材料。在這二項新研究中,研究團隊,一個在 Argonne 國家實驗室而另一個在加州大學柏克萊分校,利用 2D 材料來製造電晶體的三大元件:一個半導體、一組電極以及一個絕緣層,使其他二部份在某些區域內分開。像這樣全 2D 的電晶體可以只有幾個原子厚,使其比矽基相似物還要更小,並使得下一個世代的顯示器具有超高密度的像素。

Saptarshi Das、Anirudha V. Sumant 以及他們在 Argonne 的同僚以石墨烯(graphene)當作電極、WSe2 當作半導電通道(channel),並使用六角氮化硼(hexagonal boron nitride)當作半導體(Nano Lett. 2014, DOI: 10.1021/nl5009037)。這個團隊在一種塑膠基質上遵循標準協定,建造他們的裝置:一層又一層地沈積材料,並使用光微影與蝕刻在層與層之間構圖(pattern)。

電子在此裝置中行進的速度比在非經矽裝置中快了約 100 倍。如此高的電子遷移率意味更快速切換的電晶體,那控制顯示器的更新率,且為高品質影片所需,尤其是 3D 影片。

柏克萊的團隊,由電機工程師 Ali Javey 所領導,製造出類似的電晶體,不過他們把 MoS2 當半導體使用(ACS Nano 2014, DOI: 10.1021/nn501723y)。其電晶體的電子遷移率比非晶矽裝置高出約 70 倍。

二團體均表示,WSe2 與 MoS2 績效(merits)差不多。WSe2 能傳導電子與電洞(材料中相對帶正電的空位),而 MoS2 只能傳導電子。能夠傳遞電子與電洞對於製造用於數位邏輯電路中的 n-型 或 p-型 電晶體很有用,Sumant 表示。Argonne 研究者展示這二類電晶體。

當 MoS2 製成的電晶體開啟時能承載更高的電流。這可以解釋呈以較少電力驅動更亮的像素。不過 Javey 的團隊研究裝置以這二種材料製成,並表示這項研究仍在早期階段,那對於許多不同 2D 材料的尋求來說有意義。

不過全 2D 電晶體無法立即「加持(powering)」顯示器。Rutgers 大學的物理學家 Vitaly Podzorov 表示,它們有一大限制:WSe2 與 MoS2 無法製造大面積的薄膜。在二項研究中,研究團隊利用膠帶即使材料自晶體上呈片狀剝落。無論如何,Podzorov 表示,這二個概念驗證示範證明 2D 電晶體有前途。

※ 相關報導:

* All Two-Dimensional, Flexible, Transparent, and Thinnest Thin Film Transistor
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl5009037
Saptarshi Das, Richard Gulotty, Anirudha V. Sumant, and
Andreas Roelofs.
Nano Lett., Article ASAP 2014
doi: 10.1021/nl5009037

* Field-Effect Transistors Built from All Two-Dimensional Material Components
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn501723y
Tania Roy, Mahmut Tosun, Jeong Seuk Kang,
Angada B. Sachid, Sujay B. Desai, Mark Hettick,
Chenming C. Hu, and Ali Javey.
ACS Nano, Article ASAP 2014
doi: 10.1021/nn501723y
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