探討二維材料在半導(dǎo)體和能源產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用

二維材料是指在形成晶結(jié)構(gòu)時(shí)，在垂直的方向只有一層分子，像一張紙。用以下將討論的MoS2(molybdenum disulfide，二硫化鉬)為例，從這二維結(jié)構(gòu)的側(cè)面看，Mo原子居中，上下各有一S原子。所以雖然叫二維，但還是有一點(diǎn)三維的分量。從二維結(jié)構(gòu)的上方來(lái)看，這些重復(fù)的MoS2分子形成六邊形的蜂巢狀結(jié)構(gòu)。

圖說(shuō)：圖為目前應(yīng)用領(lǐng)域研究最密集的TMD之一─MoS2的晶體結(jié)構(gòu)示意。

二維結(jié)構(gòu)始于石墨烯(graphene)的發(fā)現(xiàn)，石墨烯全是碳原子，也是六角形蜂巢結(jié)構(gòu)。石墨(graphite)則是三維材料，以前常用的鉛筆芯就是石墨。鉛筆為什么能用于書寫呢？因?yàn)槭怯啥鄬拥氖┒询B而成，但是各層石墨烯之間僅以微弱的凡德瓦力連接。當(dāng)我們于鉛筆尖施加壓力時(shí)，最外層石墨烯與紙之間的磨擦力大過(guò)凡德瓦力，一層或數(shù)層的石墨烯就從石墨剝離(exfoliation)，留在紙上，這就是我們?cè)诩埫婵吹降你U筆筆跡。

像石墨烯這樣由單一種原子形成的二維材料還有幾種，譬如由磷、矽等原子組成的二維結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在于應(yīng)用領(lǐng)域研究的最密集的卻是TMD(Transition Metal Dichalcogenide，過(guò)渡金屬二硫?qū)倩衔?，像前述的MoS2就是TMD的一種。

TMD由于其極大化的靜電效率(maximum electrostatic efficiency)、機(jī)械強(qiáng)度、可調(diào)電子結(jié)構(gòu)、透光、傳感器選擇性等優(yōu)異性質(zhì)，開始被考慮用于電子、光子、感測(cè)、能源元件等領(lǐng)域。

在半導(dǎo)體中首先被考慮用于5nm以下制程的是MoS2，用于晶體管的通道(channel)。主要的好處是它的漏電流遠(yuǎn)較硅小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此功耗也很小。造成這現(xiàn)象的主要原因是MoS2的電子等效質(zhì)量(effective mass)較硅大3倍左右，因此晶體管在「關(guān)」的狀態(tài)下漏電流小，代價(jià)是在「開」的狀況下通過(guò)的電流也小。但是MoS2的飽和電流并不會(huì)限制它繼續(xù)微縮，實(shí)驗(yàn)上已展示將之用在1D2D FET(1D gated, 2D semiconductor FET)擁有極佳的性質(zhì)，這使得MoS2在深納米的晶體管應(yīng)用上比硅為佳，這是目前最熱門的研發(fā)方向。

TMD的其它特性讓它在光電領(lǐng)域也有不少的應(yīng)用。TMD的結(jié)構(gòu)比鋼還結(jié)實(shí)，但可撓性佳，又透光，成為薄膜晶體管(Thin Film Transistor；TFT)的天生材料，又兼具前述的電性優(yōu)勢(shì)，也可以做低功耗RF TFT，用于先進(jìn)的IoT元件。另外，因?yàn)槠鋵訝罱Y(jié)構(gòu)、高表面積、優(yōu)良電化學(xué)的性質(zhì)，在能源的應(yīng)用中極適合當(dāng)電極，譬如在超極電容或鋰離子電池。TMD的高表面積容易吸附離子，而層狀結(jié)構(gòu)在反復(fù)的充電/放電周期中容易維持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

以前半導(dǎo)體有個(gè)詞叫深次微米，然后是納米科技。一層MoS2的厚度是0.3nm，我們要進(jìn)入次納米世代了！