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美國研究人員研發出一種摻雜石墨烯(graphene)的新技術，利用氯元素(Cl)進行p型摻雜可以打開石墨烯能隙，同時保有其優越的電子性質。此摻氯石墨烯可作為理想的電子電路材料，譬如用來製作射頻電晶體、奈米電路內連線，或者是建構全石墨烯積體電路等。
石墨烯是單原子厚的六角晶格平面碳材料，擁有超電子高遷移率及高強度等獨特的電子與機械特性，能應用在許多元件上。自從2004年問世後，不少科學家認為石墨烯有可能在未來取代矽材料。石墨烯內的電子行為類似無靜止質量的迪拉克(Dirac)粒子，可在材料內以極高速度運動，所製作的電晶體速度可望超越目前所有電晶體元件。
然而，不同於矽屬於半導體材料，石墨烯的能帶並沒有能隙，而能隙對邏輯電子電路的應用非常重要，因為它是電流開與關的關鍵。使石墨烯產生能隙方法的之一是使用化學摻雜，但摻雜通常會破壞石墨烯原本的電子特性。
最近，麻省理工學院(MIT)的Mildred Dresselhaus與Tomas Palacios等人藉由電漿表面功能化技術將氯掺入石墨烯。團隊成員Xu Zhang表示，相較於其他化學摻雜製程，此方法最重要的優勢在於掺氯石墨烯仍保有高載子遷移率(約1500 cm2/V‧s)，效果遠高於摻雜其他化學元素。此外，氯的覆蓋面積率高達45%，也是摻雜石墨烯研究中的最高紀錄。根據密度泛函理論(density functional theory)，如能對石墨烯進行雙面氯化且面積覆蓋率達50%，石墨烯將可具有1.2 eV的能隙。
在該實驗中，研究人員同時研究了剝離法(exfoliation)及化學氣相沉積法(CVD)所得之石墨烯。氯元素的摻雜則使用了電子迴旋共振反應離子刻蝕機(ECR/RIE)，他們先激發氯氣體使其成為電漿態，接著相對於石墨烯樣品外加直流偏壓。ECR功率及直流偏壓等參數可用來改變反應環境，實驗則在室溫下進行。
此p型摻氯石墨烯可應用於全石墨烯積體電路和射頻電晶體等，由於氯元素能同時降低石墨烯的電阻，所以亦適合做為奈米電路內連線之用。該團隊目前正計畫使用懸空石墨烯樣本進行雙面氯摻雜，預計將能獲得更大的能隙。詳見ACS Nano｜DOI: 10.1021/nn4026756。 |