科学家:纯石墨烯不适合当硅材料接班人
时间：2014-05-09 20:17:14
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[导读]让石墨烯(graphene)成为半导体矽材料的接班人，已经成为美国、日本、欧洲甚至是中国等地政府大力支持的优先研究项目；但因为石墨烯缺乏能隙(bandgap)的自然特性，美国麻省理工学院(MIT)与哈佛大学(HarvardUniversity
让石墨烯(graphene)成为半导体矽材料的接班人，已经成为美国、日本、欧洲甚至是中国等地政府大力支持的优先研究项目；但因为石墨烯缺乏能隙(bandgap)的自然特性，美国麻省理工学院(MIT)与哈佛大学(HarvardUniversity)的研究人员认为大家可能都搞错了方向，应该是找寻性能媲美石墨烯、但具备能隙的化合物材料。
研究人员指出，有一类以NiHITP(nickelhexa-imino-triphenylene)为代表的材料，就拥有上述特性。MIT化学教授MirceaDinca表示：「就像石墨可剥离为石墨烯(也不过就是片状的石墨)，我们所开发的材料也能剥离成片状；相较于石墨烯层，我们的材料层是能透过受控制的化学改质(chemicalmodification)来调节，因此能有系统地改变其电子特性。」
该种新开发材料的正式名称是「Ni3(HITP)2」，因为它键合了镍(Ni)的3个原子以及2个HITP有机分子；不过NiHITP只是一个具备天然能隙之材料类别中的第一种，能针对特定应用在原子等级调节其电子功能。
类石墨烯材料的分子架构会自然形成六角形晶格，而每个六角形的开口都能完全对齐
Dinca指出：「我们还没量测出这种材料的能隙，但确定它大于0；石墨烯的能隙是0，并不适合做为半导体。我们现在正试图将该种材料制作成大尺寸的片状，首先要量测它的能隙并能更清楚描述其电子特性，其次则是用该种材料来制作元件；而这也是我们所面临的挑战。」
此外Dinca也表示，由于还有许多可调节的空间，真的看不到在生产更多材料方面的限制；而他们已经有数种其他相关的二维材料，应该都拥有些微不同的电子特性，这也正是他们正在寻找的，可调节的金属-有机类石墨烯。
Dinca的研究团队并非以传统方式透过掺杂(doping)将杂质或缺陷导入NiHITP这种新材料，其方法是谨慎在原子层级打造该类材料──也就是在制程中由下至上(bottom-up)调谐其功能，以支援特定的电子、甚至可能是光学特性。
根据Dinca的说法：「我们的材料是从原子层级就被明确定义；这就是关键所在，我们不是依靠缺陷，那无法被妥善理解而且无法良好控制；我们所创造的材料特性，能透过分子结构从本质上进行修改。我们能用由下至上、一个分子一个分子的方式来进行。」
NIHITP就像石墨烯一样，会自组装成完美的六角形蜂巢状晶格，并堆叠成多层、每一层的六角形开口都能完全对齐，孔洞的厚度仅有2奈米。
扫描式电子显微镜下显示二维架构集合所形成的奈米粒子(来源：MIT)
接下来研究人员打算制作单层状(monolayer)新材料，以精确量测其能隙，并用以生产电子元件；研究小组也将利用不同化学配方打造出一系列相关材料，针对不同应用从基础元素调节其特性。例如能撷取不同波长光线的太阳能电池、或是具备超高储存密度的超级电容，甚至是拓朴绝缘体(topologicalinsulator)、量子霍尔效应元件(quantumHallEffectdevice)。
研究人员指出，有一类以NiHITP(nickelhexa-imino-triphenylene)为代表的材料，就拥有上述特性。MIT化学教授MirceaDinca表示：「就像石墨可剥离为石墨烯(也不过就是片状的石墨)，我们所开发的材料也能剥离成片状；相较于石墨烯层，我们的材料层是能透过受控制的化学改质(chemicalmodification)来调节，因此能有系统地改变其电子特性。」
该种新开发材料的正式名称是「Ni3(HITP)2」，因为它键合了镍(Ni)的3个原子以及2个HITP有机分子；不过NiHITP只是一个具备天然能隙之材料类别中的第一种，能针对特定应用在原子等级调节其电子功能。
类石墨烯材料的分子架构会自然形成六角形晶格，而每个六角形的开口都能完全对齐
Dinca指出：「我们还没量测出这种材料的能隙，但确定它大于0；石墨烯的能隙是0，并不适合做为半导体。我们现在正试图将该种材料制作成大尺寸的片状，首先要量测它的能隙并能更清楚描述其电子特性，其次则是用该种材料来制作元件；而这也是我们所面临的挑战。」
此外Dinca也表示，由于还有许多可调节的空间，真的看不到在生产更多材料方面的限制；而他们已经有数种其他相关的二维材料，应该都拥有些微不同的电子特性，这也正是他们正在寻找的，可调节的金属-有机类石墨烯。
Dinca的研究团队并非以传统方式透过掺杂(doping)将杂质或缺陷导入NiHITP这种新材料，其方法是谨慎在原子层级打造该类材料──也就是在制程中由下至上(bottom-up)调谐其功能，以支援特定的电子、甚至可能是光学特性。
根据Dinca的说法：「我们的材料是从原子层级就被明确定义；这就是关键所在，我们不是依靠缺陷，那无法被妥善理解而且无法良好控制；我们所创造的材料特性，能透过分子结构从本质上进行修改。我们能用由下至上、一个分子一个分子的方式来进行。」
NIHITP就像石墨烯一样，会自组装成完美的六角形蜂巢状晶格，并堆叠成多层、每一层的六角形开口都能完全对齐，孔洞的厚度仅有2奈米。
扫描式电子显微镜下显示二维架构集合所形成的奈米粒子(来源：MIT)
接下来研究人员打算制作单层状(monolayer)新材料，以精确量测其能隙，并用以生产电子元件；研究小组也将利用不同化学配方打造出一系列相关材料，针对不同应用从基础元素调节其特性。例如能撷取不同波长光线的太阳能电池、或是具备超高储存密度的超级电容，甚至是拓朴绝缘体(topologicalinsulator)、量子霍尔效应元件(quantumHallEffectdevice)。
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