第一個完全以 2D 材料製成的電晶體

First Transistors Made Entirely Of 2-D Materials
http://cen.acs.org/articles/92/web/2014/05/First-Transistors-Made-Entirely-2.html

電子產品：更快、超薄的裝置，使銳利、低耗電的可撓式顯示器成為可能。

By Prachi Patel
May 6, 2014

二個獨立研究團體報告，首個完全以二維電子材料打造的電晶體，使這些裝置成為迄今最薄的。這些電晶體，只有幾個原子厚，因而是透明的，能導致明亮、高解析度的顯示器，十分節能且可以彎曲。

這二個團體的裝置象徵著重要的進展，Deji Akinwande 表示，德州大學 Austin 分校的電機工程師，他沒有涉入這些研究。"彈性與透明的電晶體對於未來的可撓式智慧裝置十分重要，" 他說。

電晶體是電開關，那在許多電子裝置中將電流開啟或關閉。在平板顯示器中，以非晶矽（amorphous silicon）製成的薄膜電晶體驅動著個別像素的點亮。科學家對於以更薄半導電材料，諸如二硫化鉬（molybdenum disulfide，MoS2，輝鉬礦）與二硒化鎢（tungsten diselenide，WSe2）來製作電晶體的興趣更加濃厚，因為這些 2D 材料比矽有更好的電氣特性。尤其是 MoS2 與 WSe2 有更大的能隙（band gap，能帶隙）-- 材料在導電與非導電狀態之間的能量差異 -- 故理論上以此類材料製成的電晶體，在啟動時所需的電力比矽基電晶體來的少。

其他研究者之前曾以這些 2D 半導體製造過電晶體，但在其他部份仍使用一般材料。在這二項新研究中，研究團隊，一個在 Argonne 國家實驗室而另一個在加州大學柏克萊分校，利用 2D 材料來製造電晶體的三大元件：一個半導體、一組電極以及一個絕緣層，使其他二部份在某些區域內分開。像這樣全 2D 的電晶體可以只有幾個原子厚，使其比矽基相似物還要更小，並使得下一個世代的顯示器具有超高密度的像素。

Saptarshi Das、Anirudha V. Sumant 以及他們在 Argonne 的同僚以石墨烯（graphene）當作電極、WSe2 當作半導電通道（channel），並使用六角氮化硼（hexagonal boron nitride）當作半導體（Nano Lett. 2014, DOI: 10.1021/nl5009037）。這個團隊在一種塑膠基質上遵循標準協定，建造他們的裝置：一層又一層地沈積材料，並使用光微影與蝕刻在層與層之間構圖（pattern）。

電子在此裝置中行進的速度比在非經矽裝置中快了約 100 倍。如此高的電子遷移率意味更快速切換的電晶體，那控制顯示器的更新率，且為高品質影片所需，尤其是 3D 影片。

柏克萊的團隊，由電機工程師 Ali Javey 所領導，製造出類似的電晶體，不過他們把 MoS2 當半導體使用（ACS Nano 2014, DOI: 10.1021/nn501723y）。其電晶體的電子遷移率比非晶矽裝置高出約 70 倍。

二團體均表示，WSe2 與 MoS2 績效（merits）差不多。WSe2 能傳導電子與電洞（材料中相對帶正電的空位），而 MoS2 只能傳導電子。能夠傳遞電子與電洞對於製造用於數位邏輯電路中的 n-型 或 p-型 電晶體很有用，Sumant 表示。Argonne 研究者展示這二類電晶體。

當 MoS2 製成的電晶體開啟時能承載更高的電流。這可以解釋呈以較少電力驅動更亮的像素。不過 Javey 的團隊研究裝置以這二種材料製成，並表示這項研究仍在早期階段，那對於許多不同 2D 材料的尋求來說有意義。

不過全 2D 電晶體無法立即「加持（powering）」顯示器。Rutgers 大學的物理學家 Vitaly Podzorov 表示，它們有一大限制：WSe2 與 MoS2 無法製造大面積的薄膜。在二項研究中，研究團隊利用膠帶即使材料自晶體上呈片狀剝落。無論如何，Podzorov 表示，這二個概念驗證示範證明 2D 電晶體有前途。

※ 相關報導：

＊ All Two-Dimensional, Flexible, Transparent, and Thinnest Thin Film Transistor
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl5009037

Saptarshi Das, Richard Gulotty, Anirudha V. Sumant, and
Andreas Roelofs.
Nano Lett., Article ASAP 2014
doi: 10.1021/nl5009037

＊ Field-Effect Transistors Built from All Two-Dimensional Material Components
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn501723y

Tania Roy, Mahmut Tosun, Jeong Seuk Kang,
Angada B. Sachid, Sujay B. Desai, Mark Hettick,
Chenming C. Hu, and Ali Javey.
ACS Nano, Article ASAP 2014
doi: 10.1021/nn501723y

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