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二維材料於半導體和能源產業的應用

  • 林育中
圖為目前應用領域研究最密集的TMD之一─MoS2的晶體結構示意。Ben Mills

二維材料是指在形成晶結構時,在垂直的方向只有一層分子,像一張紙。用以下將討論的MoS2(molybdenum disulfide,二硫化鉬)為例,從這二維結構的側面看,Mo原子居中,上下各有一S原子。所以雖然叫二維,但還是有一點三維的分量。從二維結構的上方來看,這些重複的MoS2分子形成六邊形的蜂巢狀結構。

二維結構始於石墨烯(graphene)的發現,石墨烯全是碳原子,也是六角形蜂巢結構。石墨(graphite)則是三維材料,以前常用的鉛筆芯就是石墨。鉛筆為什麼能用於書寫呢?因為石墨是由多層的石墨烯堆疊而成,但是各層石墨烯之間僅以微弱的凡德瓦力連接。當我們於鉛筆尖施加壓力時,最外層石墨烯與紙之間的磨擦力大過凡德瓦力,一層或數層的石墨烯就從石墨剝離(exfoliation),留在紙上,這就是我們在紙面看到的鉛筆筆跡。

像石墨烯這樣由單一種原子形成的二維材料還有幾種,譬如由磷、矽等原子組成的二維結構。現在於應用領域研究的最密集的卻是TMD(Transition Metal Dichalcogenide,過渡金屬二硫屬化合物),像前述的MoS2就是TMD的一種。

TMD由於其極大化的靜電效率(maximum electrostatic efficiency)、機械強度、可調電子結構、透光、傳感器選擇性等優異性質,開始被考慮用於電子、光子、感測、能源元件等領域。

在半導體中首先被考慮用於5nm以下製程的是MoS2,用於電晶體的通道(channel)。主要的好處是它的漏電流遠較矽小幾個數量級,因此功耗也很小。造成這現象的主要原因是MoS2的電子等效質量(effective mass)較矽大3倍左右,因此晶體管在「關」的狀態下漏電流小,代價是在「開」的狀況下通過的電流也小。但是MoS2的飽和電流並不會限制它繼續微縮,實驗上已展示將之用在1D2D FET(1D gated, 2D semiconductor FET)擁有極佳的性質,這使得MoS2在深奈米的電晶體應用上比矽為佳,這是目前最熱門的研發方向。

TMD的其他特性讓它在光電領域也有不少的應用。TMD的結構比鋼還結實,但可撓性佳,又透光,成為薄膜電晶體(Thin Film Transistor;TFT)的天生材料,又兼具前述的電性優勢,也可以做低功耗RF TFT,用於先進的IoT元件。另外,因為其層狀結構、高表面積、優良電化學的性質,在能源的應用中極適合當電極,譬如在超極電容或鋰離子電池。TMD的高表面積容易吸附離子,而層狀結構在反覆的充電/放電周期中容易維持穩定結構。

以前半導體有個詞叫深次微米,然後是奈米科技。一層MoS2的厚度是0.3nm,我們要進入次奈米世代了!

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。