Only Perception: 製造迄今最乾淨的石墨烯：二維材料的一維接點

2013-11-02

製造迄今最乾淨的石墨烯：二維材料的一維接點

New techniques produce cleanest graphene yet
http://phys.org/news/2013-10-techniques-cleanest-graphene.html

2013.10.31

Columbia Engineering 研究者率先實驗性地證明，的確有可能沿著原子級二維（2D）薄層材料的一維（1D）邊緣（而非從二維材料的頂層連接，那是傳統方式）進行電連接（electrically contact）。利用這種新的連接架構，他們已為這種成層材料開發出一種新的組裝技術，能防止界面上的污染，而且，把石墨烯（graphene）當成 2D 模型材料用，更證明這二種方法的結合能導致目前所能實現的、最乾淨的石墨烯。這項研究發表在 2013/11/1 的 Science 期刊上。

"這是材料工程中一種令人振奮的新典範 -- 在此並非使用層層生長（ layer by layer growth）的傳統方法 -- 混合材料現已能用 2D 組成（成份）晶體的機械組裝製成，" 電機工程教授 Ken Shepard，本論文的共同作者。"目前尚無其他小組在 2D 材料上（如石墨烯），成功地達到純邊緣連接幾何（edge-contact geometry）。"

他補充表示，他們較早期的嘗試是藉由額外的改造，例如：額外的摻雜，來尋求「頂層接點（top contacts）」的改良。"我們新穎的邊緣連接幾何與傳統幾何相較，能提供更多更有效率的接點，而不需要更加複雜的製程。在裝置應用與基礎物理探索的追尋上，現在有更多的可能性。"

石墨烯首先在 2004 年被分離出來，是研究得最透徹的 2D 材料，也成為數千篇論文的主題，研究其電氣行為與裝置應用。"不過在這類研究中，石墨烯的效能幾乎都因暴露在污染物的情況下而衰退，" 機械工程教授 James Hone 表示，他也是本研究的共同作者。"結果證明，污染問題與電接點（electrical contact）有所關聯。任何高效率的電子材料都必須要被封裝在某種絕緣體中，使其不受環境影響。石墨烯缺乏製造平面外連結（out-of-plane bonds）的能力，因而要在其表面上製造電接點變得很困難，不過這（種特性）也能防止它與傳統的 3D 絕緣體，如氧化物，結合。事實上，最佳結果是利用某種 2D 絕緣體才獲得，那不需要在其表面上製造連結。然而，要透過電氣方式存取完全封裝的石墨烯薄膜，目前為止仍是不可能的事。"

在這項研究中，Cory Dean -- 他在博士後時於 Columbia 領導此研究，現在則是 The City College of New York 的助理教授 -- 說，這個團隊同時解決了接點與污染問題。"像石墨烯這類 2D 材料的最大優勢是，其厚度只有一個原子，我們得要直接利用其電氣特性。同時，這也是它的一大敗筆之一，因為這使得材料對於其所處環境極度敏感。任何外部污染都能使效能迅速降低。在防止不想要的混亂干擾石墨烯的同時，又要能進行電氣上的存取，已成為石墨烯這類技術在發展上的最大障礙。藉由只在石墨烯的 1D 邊緣製造接點，我們已開發出一種全新的方法將我們的 3D 世界橋接到這個神奇的 2D 世界，而不會擾亂其固有特性。這幾乎將外部污染排除，且最終能使石墨烯在電子裝置中展現其真正的潛力。"

研究者將 2D 石墨烯層完全封裝在絕緣的氮化硼結晶體所構成的薄夾層內，這裡使用了一種新技術，在其中，結晶層一個接著一個堆疊。"我們組裝這些異質結構的方法，完全排除了層與層之間的任何污染物，" Dean 解釋，"我們對裝置進行橫斷面測量（cross-sectioning）並利用具原子解析度的 TEM 將之成像，從而確認此事。"

一旦他們將堆疊創造出來後，他們將之蝕刻，以露出石墨烯層的邊緣，他們接著將金屬蒸鍍到邊緣以創造電接點。沿著邊緣製造接點，該團隊在 2D 活性層與 3D 金屬電極之間實現了一種 1D 界面。而且，即便電子只從石墨烯薄膜的 1D 原子邊緣進入，接觸電阻（contact resistance）仍非常低，達到每 micron 的接點寬度只有 100 Ohms -- 這個值比石墨烯頂層表面接點所能達到的還要小。

利用這二種新技術 -- 透過 1D 邊緣構築接點與防止界面間污染的堆疊組裝方法 -- 這個團隊能夠製造出他們所謂的「迄今所實現、最乾淨的石墨烯」。在室溫下，這些裝置展現出前所未有的效率，包括比任何傳統 2D 電子系統大至少二倍以上的電子遷移率（electron mobility）以及小於 40 Ohms 的薄膜電阻（sheet resistivity），此時充足的電荷藉由靜電「閘控」（electrostatic gating）添加到薄膜上。驚人的是，這種相當於「大塊」3D 之「阻抗值（resistivity，電阻率）」 2D 薄膜電阻，比任何在室溫下的金屬都來得小。在低溫下，電子能通過該團隊的樣本而不會散射，這種現象稱為彈道傳輸（ballistic transport）。彈道傳輸先前曾在接近 1 微米大小的樣本中被觀察到，不過這項研究證明，在 20 微米這麼大的樣本中也能有相同表現。"到目前為止，這純粹是受到裝置尺寸的限制，" Dean 說，"這指出「真正固有的」表現甚至會更好。"

該團隊現正研究將這些技術應用到開發新混合材料上，透過機械組裝（mechanical assembly）與混合材料的邊緣接點（edge contact），藉此獲得整套可利用的 2D 成層材料，包括石墨烯、氮化硼、過渡金屬硫族化合物（transition metal dichlcogenides，TMDCs）、過渡金屬氧化物（transition metal oxides，TMOs）以及拓樸絕緣體（topological insulators，TIs）。"我們正利用這種常在基於石墨烯裝置中所達到的空前效能，來探索迷人的大長度尺度下的彈道電子傳輸的相關效果與應用，" Dean 補充。"由於目前沒有太多研究聚焦在藉由整合 2D 成層系統來開發新裝置上，因此潛在的應用難以置信，從垂直結構化電晶體、基於穿隧的裝置以及感應器、光敏混合材料到彈性與透明電子裝置。"

"這些研究成果來自於對純科學及應用科學都感興趣之研究者的廣泛合作，" Hone 說。"Columbia 的獨特環境提供了一種空前的機會給這二個社群互動與成就彼此。"

Columbia團隊在 2010 年展示第一種機械式 2D 材料成層技術。這二種新技術，那在此領域中有關鍵優勢，為 Lei Wang (PhD student, Electrical Engineering, Hone group)、Inanc Meric (Postdoc, Electrical Engineering, Shepard group)，此計畫的共同作者，他與 Philip Kim (Physics and Applied Physics and Applied Mathematics, Columbia) 的小組一起研究、James Hone (Mechanical Engineering, Columbia), Ken Shepard (Electrical Engineering, Columbia) 以及 Cory Dean (Physics, City College of New York) 跨學門合作的成果。

※ 相關報導：

＊ One-Dimensional Electrical Contact to a Two-Dimensional Material
http://www.sciencemag.org/content/342/6158/614.abstract

L. Wang, I. Meric, P. Y. Huang, Q. Gao, Y. Gao, H. Tran,
T. Taniguchi, K. Watanabe, L. M. Campos, D. A. Muller,
J. Guo, P. Kim, J. Hone, K. L. Shepard, C. R. Dean.
Science 1 November 2013: Vol. 342 no. 6158 pp. 614-617
doi: 10.1126/science.1244358