文／黃湘娟、劉若愉、蔡宜臻｜國⽴臺灣⼤學物理學系電⼦學課程學生
近年來，電⼦學領域在新材料與新製程上突⾶猛進，把許多過去無法想像的應⽤變 成可能，例如：穿戴式電⼦裝置、可彎曲且活動性佳的電⼦元件、體積極⼩的積體電路……等，因此對於電⼦元件基質的要求，也逐漸往重量輕、易塑形、厚度薄等⽅向發展。
⽽⼈類歷史上最古⽼的材料之⼀：紙，恰好完美地滿⾜以上條件！
以紙作為基質的電⼦產品，不但擁有優異的靈活性和相對⼤的表⾯積—質量比，甚 至還有原料便宜且易取得、製作技術易掌握、製程中排放有毒物質少等優點，廢棄後的元件也容易進⾏回收處理，對環境更加友善。因此，在注重永續發展的今天，越來越多研究者開始投入紙基電⼦產品的開發。
然⽽要將複雜的電路印在薄且脆弱的紙上⼀點也不容易，若電路本身使⽤的材料過於厚重，不但對塗層技術是很⼤的挑戰，也很難製作出耐⽤的電⼦元件。於是科學家們便把腦筋動到了⼆⼗⼀世紀興起的新材料 ——⼆維材料上。
所謂的⼆維材料僅由⼀層原⼦或化合物組成，單層厚度通常⼩於數奈⽶，層與層之間只以非定向的凡德瓦⼒連結，相較於化學鍵與水分子間存在的氫鍵等都微弱得多，導致層與層間相對容易滑動、分離，因此又稱為凡德瓦材料。現今的⼆維材料，除了最早發現的⽯墨烯以外，還有其他多樣的族群，像是過渡⾦屬⼆硫族化物 (TMDs)、六⽅氮化硼、⿊磷等等。
⼆維材料不但僅有原⼦等級的厚度，也具有極⾼的柔軟度、可調控的電性，更特別的是，在過渡⾦屬⼆硫族化物 (TMDs) 中，可藉由改變組成、厚度與應⼒等調控能隙 (bandgap) 間距，因此，二維材料的可塑性與輕薄特性，讓他成為紙基電子元件塗料的不二人選。
如果將電⼦元件以紙基型態⽣產，元件性能很容易被紙張易於潮濕的特性影響，再 加上紙張的耐熱度不佳，所以紙基電⼦元件⼀直很難以⼯業製程等級製造。
MoS2 是屬於過渡⾦屬⼆硫族化物 (TMDs) 的其中一種二維材料，作為場效電晶體有著良好的電學與光學表現，但經由溶液處理的 MoS2 場效電晶體的⽣產過程中，包含酸液洗滌以及 200°C 以上的退⽕處理，而前段提及的紙張特性，顯然無法承受這兩道製程。所以若想要將場效電晶體以紙基⽅式⽣產，勢必得另闢蹊徑。
於是科學家們想出了⼀個新的⽅法：通道陣列 (Channel Array)。這個⽅法結合了 兩種已知的技術：化學氣相沉積 (CVD) 以及噴墨印刷。
所謂化學氣相沉積技術，也就是指將兩種或兩種以上的氣態原物料導入到⼀個反應室內，使之產⽣化學反應，形成⼀種新的物料，並沉積到晶⽚表⾯上。透過化學氣相沉積，就可以⽣產出⾼品質的 MoS2 通道；⽽噴墨印刷使製作者在電路設計上擁有很⼤的⾃由度。通道陣列既不⽤經過酸液洗滌也不需要⾼溫處理，顯然更適合應⽤在紙上。
⾸先，以化學氣相沉積技術在基板上⽣成 MoS2，然後⽤化學物質將 MoS2 蝕刻成條帶狀，接著將條帶狀 MoS2 轉移到紙張上，作為電晶體的通道。⽽電路所需要的其他元件，可以透過含有⼆維材料的墨⽔，以噴墨技術在已布置 MoS2 通道的紙上印刷。
研究結果指出，透過通道陣列⽅法製造出的紙基場效電晶體，與⼀般⽅法製作的場效電晶體有著不相上下，甚至更優秀的電⼦移動率，以及微乎其微的漏電和良好的電流開關比。而這些結果代表著，紙基場效電晶體對電流的調控能力相當出色。
此外，科學家們設計了更複雜的電路，比如：數位和類比積體電路模塊、邏輯閘 以及電流鏡等，來測試通道陣列的應⽤廣度，而電路運作良好，顯⽰通道陣列對於多元應⽤的可⾏性。
更重要的是，化學氣相沉積以及噴墨印刷都適合⼤⾯積製造，所以將此兩種技術結合的通道陣列⽅法，有極⾼機會應⽤於⼯業製程。
待未來技術成熟時，不論從類比電路到數位電路，下⼀代「紙上」電⼦產品上都具有巨⼤的潛⼒，不只在相關的科學與科技領域中⽴下⼀個新的⾥程碑，在友善環境上，更是有大幅的躍進。
總⽽⾔之，透過新的通道陣列技術，以及⼈們對環保的追求，以紙作為基質的電⼦產品，往後的⽇⼦將⼤放異彩，就讓我們拭⽬以待吧！
本⽂源⾃於國⽴臺灣⼤學物理學系電⼦學之課程報告，感謝朱⼠維教授與程暐瀅助教的建議與協助。
View Comments
要能耐濕，耐鹹，耐強電磁場就更好了。