石墨烯與鑽石攜手傳輸更大電流

科學家嘗試將石墨烯成長於或轉移至合成鑽石或超奈米微晶鑽石基板上,發現可提升石墨烯能負荷的電流密度。圖片來源:轉載自nanotechweb.org

美國科學家研發出一種讓石墨烯傳導更大電流的新方法,他們捨棄傳統的二氧化矽基板,而將石墨烯成長於或轉移至合成鑽石或超奈米微晶鑽石(ultrananocrystalline diamond, UNCD)基板上。這項研究成果將有助於發展高頻電晶體或透明電極,並且可望取代銅成為半導體晶片中的內部連線(interconnect)。

石墨烯為單原子厚的二維平面碳材料,由於其電子能以極高速於材料內運動,非常適合用來發展次世代電子元件。石墨烯本身沒有能隙,因此其最具前景的應用為需高電流的裝置,而非需要能隙的元件。此外,石墨烯還具有絕佳的導熱性,而且幾乎能轉移至任何基板上。

對於以一般二氧化矽/矽為基板所打造的石墨烯場效電晶體及內部連線,崩潰電流密度約為 1 μA/nm2,最近加州大學河濱分校(UCR)的 Alexander Balandin 與阿岡國家實驗室(Argonne National Laboratory)的 Anirudha Sumant 等人以合成鑽石或便宜的超奈米微晶鑽石取代二氧化矽基板,由於鑽石的導熱性優於矽與二氧化矽,能更快將熱由石墨烯中移除,因此石墨烯能負荷的電流密度可提升至 20 μA/nm2。

此研究團隊測試了兩種鑽石,一為阿岡國家實驗室研發並已上市的超奈米微晶鑽石(ultrananocrystalline, UNCD),另一種則為單晶鑽石(single-crystal diamond, SCD)。成長一般奈米微晶鑽石需使用氫氣與甲烷,且基板溫度需達 800°C,而超奈米微晶鑽石僅需達 400°C。此外,研究人員也已證明超奈米微晶鑽石與現行的矽基互補式金屬氧化物半導體(CMOS)技術相容。美中不足的是鑽石表面需達到奈米級的平滑程度,不過此團隊已發展出一套先進的拋光製程,能大大減少材料的粗糙度。

Balandin 表示,他們的研究證明此兩種碳材(石墨烯與鑽石)的結合可創造新技術。此複合材料將可望用來取代二氧化矽基板上的銅質內部連線,或用來製作高頻及高功率密度應用所需的電晶體。此實驗研究的是大小約數十微米的石墨烯元件,該團隊下一步計畫探討奈米級石墨烯/鑽石元件的電流傳輸性質。詳見 Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl204545q。

譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:劉家銘
原文網址:Diamond helps graphene carry more current—nanotechweb.org

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-05-25]


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