韓國與美國研究人員藉由在石墨烯(grapnene)上添加二維矽島(silicon island)，成功在此平面碳材料中開啟能隙。此技術若能進一步改良，將可望用來調制石墨烯的電子性質，使其能符合諸多元件應用上的需求。
石墨烯為單原子厚的平面碳材料，由於具有獨特的電子及機械性質，很適合用來製造分子電子元件。事實上，許多研究人員認為石墨烯甚至可能取代矽元素成為未來電子學基材。然而，石墨烯不像半導體一樣具有能隙，而能隙的存在是控制元件內電流開關的關鍵。將石墨烯切割成奈米帶、奈米網格或量子點可在石墨烯中製造出能隙，其他方法如摻雜或以別的元素取代碳原子亦可獲得同等效果。不過這些方法都難免會造成電子在材料內發生散射，使原本優越的電子遷移率等性質大受影響。
此國際團隊由漢陽(Hanyang)大學的Won Il Park所領導，包含高麗大學世宗校區(Korea University Sejong Campus)、蔚山科學技術大學(Ulsan National Institute of Science and Technology)與伊利諾伊大學厄巴納香檳分校(UIUC)的研究人員。他們發現在石墨烯上添加二維矽島可在此碳材料中打開2-3 meV的能隙，製成的複合式石墨烯-矽場效電晶體之電流值高於單獨以石墨烯製造的電晶體達三倍之多。此外，該元件的最大最小電流比值隨矽濃度增加而遞增。
研究團隊先把大面積石墨烯片轉移至二氧化矽/矽基板上，接著將此基板置於1000°C的高溫矽蒸汽環境中。由於石墨烯內為sp2混成共價碳鍵結，矽原子並不會立即取代晶格中的碳原子，反而在凡得瓦力作用下，物理吸附於石墨烯上形成極薄矽島。此交互作用會破壞石墨烯的次晶格對稱性，因此造成2-3 meV的能隙。
目前，這種大小的能隙尚不能有實際應用，能帶結構的調制似乎亦僅發生於矽島披覆的局部區域，因此研究人員希望能大面積地將此二維矽島成長於石墨烯上。他們同時計畫探討以不同元素作為奈米島材料，並且發展如感知器等其他元件。詳見ACS Nano｜DOI: 10.1021/nn304007x。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw
譯者:翁任賢(成功大學物理研究所)
責任編輯:蔡雅芝