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二维材料于半导体和能源产业的应用

  • 林育中
图为目前应用领域研究最密集的TMD之一─MoS2的晶体结构示意。Ben Mills

二维材料是指在形成晶结构时,在垂直的方向只有一层分子,像一张纸。用以下将讨论的MoS2(molybdenum disulfide,二硫化钼)为例,从这二维结构的侧面看,Mo原子居中,上下各有一S原子。所以虽然叫二维,但还是有一点三维的分量。从二维结构的上方来看,这些重复的MoS2分子形成六边形的蜂巢状结构。

二维结构始于石墨烯(graphene)的发现,石墨烯全是碳原子,也是六角形蜂巢结构。石墨(graphite)则是三维材料,以前常用的铅笔芯就是石墨。铅笔为什么能用于书写呢?因为石墨是由多层的石墨烯堆叠而成,但是各层石墨烯之间仅以微弱的凡德瓦力连接。当我们于铅笔尖施加压力时,最外层石墨烯与纸之间的磨擦力大过凡德瓦力,一层或数层的石墨烯就从石墨剥离(exfoliation),留在纸上,这就是我们在纸面看到的铅笔笔迹。

像石墨烯这样由单一种原子形成的二维材料还有几种,譬如由磷、矽等原子组成的二维结构。现在于应用领域研究的最密集的却是TMD(Transition Metal Dichalcogenide,过渡金属二硫属化合物),像前述的MoS2就是TMD的一种。

TMD由于其极大化的静电效率(maximum electrostatic efficiency)、机械强度、可调电子结构、透光、传感器选择性等优异性质,开始被考虑用于电子、光子、感测、能源元件等领域。

在半导体中首先被考虑用于5nm以下制程的是MoS2,用于晶体管的通道(channel)。主要的好处是它的漏电流远较矽小几个数量级,因此功耗也很小。造成这现象的主要原因是MoS2的电子等效质量(effective mass)较矽大3倍左右,因此晶体管在「关」的状态下漏电流小,代价是在「开」的状况下通过的电流也小。但是MoS2的饱和电流并不会限制它继续微缩,实验上已展示将之用在1D2D FET(1D gated, 2D semiconductor FET)拥有极佳的性质,这使得MoS2在深纳米的晶体管应用上比矽为佳,这是目前最热门的研发方向。

TMD的其它特性让它在光电领域也有不少的应用。TMD的结构比钢还结实,但可挠性佳,又透光,成为薄膜晶体管(Thin Film Transistor;TFT)的天生材料,又兼具前述的电性优势,也可以做低功耗RF TFT,用于先进的IoT元件。另外,因为其层状结构、高表面积、优良电化学的性质,在能源的应用中极适合当电极,譬如在超极电容或锂离子电池。TMD的高表面积容易吸附离子,而层状结构在反复的充电/放电周期中容易维持稳定结构。

以前半导体有个词叫深次微米,然后是纳米科技。一层MoS2的厚度是0.3nm,我们要进入次纳米世代了!

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。