诺贝尔碳芯片技术:用水蒸气开启石墨烯能隙

分享到:

石墨薄片──也就是石墨烯(graphene)──由于具备比传统硅芯片高出百万倍的导电性能,因此是颇具潜力的芯片上互连层(interconnectionlayers)替代材料。但若要用石墨烯制作半导体,需要开启让电子跳跃过的能隙(bandgap),以做为让数字计算机运作的开关。

    美国伦斯勒理工学院(RensselaerPolytechnicInstitute,RPI)的研究人员表示,他们已经发现了一种简单的方法,能用水来开启石墨烯的能隙。此外研究人员也证实了可透过控制芯片封装内的湿度,为特定应用调节石墨烯能隙。

    材料的能隙是指从价带(valenceband,内含电子紧密结合之原子轨道)底部到导带(conductionband,内有自由电子轨道)顶端的能量差距;在铜线等纯导体中,价带与导带间并没有能隙,因此当一个电压电位(voltagepotential)出现时,所有的电子都是「待价而沽」的。

    至于在纯绝缘体中,价带与导带之间有非常大的能隙,两者必须要有超越材料击穿电压(breakdownvoltage)才能桥接。而在纯导体与纯绝缘体之间的半导体,有一种磁阻(reluctance)可让电子跨越能隙,并能支持让数字电子组件运作的开关机制。

    IBM曾在今年稍早宣布,该公司所研发的双闸、双层(dual-gatebi-layer)石墨烯架构,能有效地开启.13电子伏特(electronvolts,eV)的能隙;伦斯勒理工学院教授NikhilKoratkar所率领的团队,则是用简单的水蒸气就能开启.2eV的能隙。

    此外,伦斯勒理工学院的研究人员也发现,只要透过控制芯片封装内的湿度,就能在0~.2eV(0是纯金属导体的能隙,.2eV是适用于红外线探测器的半导体能隙)的范围内,针对不同特定应用的需求,任意调节石墨烯能隙。

    根据Koratkar的说法,目前的芯片封装技术应该可让芯片厂商在特定的组件或是计算机芯片周围,制作一个小小的围场(enclosure),利用该空间,就能很容易地控制湿度。