電子器件小型化：石墨烯納米帶有望成為新一代方案

導讀

最近，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA ）的化學家們開出一種新方法製造出石墨烯納米帶。科學家們相信這種新一代結構未來將應用於電子產品，助力電子器件小型化。

背景

硅，是一種非金屬元素，也是一種半導體材料，它廣泛應用於製作半導體器件和集成電路。它外表光澤而易碎，是構成現代電子器件的關鍵成分之一。但是隨著電子器件變得越來越小，採用硅製造出微型電子元器件變得更具挑戰性，且價格昂貴。

拿硅基晶體管來說，7納米堪稱物理極限。一旦晶體管尺寸低於7納米，電子的行為將受限於量子不確定性，晶體管中電子很容易產生隧穿效應，晶體管變得不再可靠，晶元製造面臨巨大挑戰。

為了面對這個挑戰，讓摩爾定律可以繼續保持生機與活力，產業界和科學界都在開始尋找新材料，目標就是取代硅，生產出尺寸更小、性能更佳的電子元器件。據筆者之前介紹，這些新材料包括：納米碳管和二硫化鉬、黑磷、石墨烯、二硒化鎢等等。

其中，最受廣泛關注的當然是：石墨烯。石墨烯是一種性能非常優秀的二維材料，具有單層碳原子組成的蜂窩狀結構，厚度僅有人類髮絲直徑的百萬分之一，但強度卻勝過鋼鐵百倍，導電性能卻勝過銅，所以非常適合用於電子器件。

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

石墨烯是一種導電材料，但是要發揮其半導體功能，還需要將它變成納米帶狀，因為這樣才會具有足夠大的能量或者禁帶寬度，從而成為納米晶體管的關鍵組件。

前不久，筆者介紹過瑞士聯邦材料與測試國家實驗室（Empa）的研究人員與位於德國美因茨進行聚合物研究的馬克斯普朗克研究所、美國加州大學伯克利分校的研究人員合作製造出寬度僅1納米，長度50納米的石墨烯納米帶，並製成只有幾個原子寬度的納米晶體管。

（圖片來源：Empa）

創新

與上面介紹的研究案例相似，最近美國加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA ）的化學家們又開發了一種新方法，製造出石墨烯納米帶。科學家們相信這種下一代結構，未來將應用於電子產品。

（圖片來源： Yves Rubin）

這項研究在線發表於《美國化學會雜誌》（American Chemical Society）。

技術

納米帶是非常狹窄的石墨烯帶，它只有幾個碳原子的寬度。美國加利福尼亞大學洛杉磯分校化學教授、該研究的首作者 Yves Rubin 表示，納米帶非常有用，因為它們具有能帶隙（bandgap），這意味著電子必須經過「推動」才能穿越它們，產生電流。

他表示，在沒有能帶隙的材料中，電子會不受阻礙地通過，所以這些材料無法用於創造出半導體邏輯電路。

Rubin 及其研究團隊，在600度高溫下，採用基於紫外線的簡單反應，一個分子接著一個分子地製造出石墨烯納米帶。

加利福尼亞大學洛杉磯分校加州納米系統研究所的成員 Rubin 表示，其他人無法實現這項技術。但是如果有人想要在工業規模構建這些分子，這項技術則顯得非常重要。

這項工藝是在現有方法的基礎上進行改善，創造出石墨烯納米帶。其中一方案是剪開的石墨烯管，即碳納米管。Rubin 表示，這種特殊方法並不精準，製造出的納米帶尺寸不一致，然而納米帶的能帶隙作用主要取決於它的寬度。

為了創造出合適的納米帶，科學家開始生長四種不同的無色分子晶體。晶體在完美的方位上鎖住分子，並發生反應。然後，團隊使用光線將分子縫合成聚合體，而聚合體是由重複的碳原子和氫原子單元組成的大結構。

然後，科學家們將具有光澤的深藍色聚合物放進一個僅含有氬氣的烤箱中，加熱至600攝氏度。這個熱量為聚合物形成最終的連接提供了必要的能量。這種連接讓納米帶形成最終的形狀：有碳原子組成的六邊形環，在每個碳原子邊上有氫原子。

Rubin 表示，他們從根本上碳化這些聚合物，但是他們是以一種可控方式進行操作的。

這個過程大概進行一個小時，生產出只有8個碳原子寬度、幾千個原子長度的石墨烯納米帶。科學家們驗證了納米帶的分子結構，該納米帶的顏色是深黑色並且具有光澤，並且向它們照射不同波長的光線。

Rubin 表示，我們觀察了吸收的光線波長。它揭示出了該結構的鮮明特徵和納米帶的組成。

研究人員為該工藝申請了一個專利。Rubin 表示，他們團隊正在研究如何更好地控制納米帶，挑戰在於它們傾向於粘在一起。現在，它們是纖維束，下一步將能夠一個一個地控制每個納米帶。

價值

這項研究代表了石墨烯納米帶研究和製造工藝的最新進展，同時也代表了石墨烯半導體特性的研究又上了一個新台階。未來，石墨烯納米帶有望應用於納米電子領域和新一代電子產品。

關鍵字

石墨烯、電子、半導體

參考資料

【1】http://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-chemists-synthesize-narrow-ribbons-of-graphene-for-next-generation-electronics

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