複合科技開啟2D電子元件新紀元

美國科學家最近公布了一項CMOS相容新科技，能將不同的2D材料整合至單一電子裝置上。他們採用化學氣相沉積法生長的石墨烯(graphene)/二硫化鉬(molybdenum sulphide)異質結構，製造出大型電子電路，其中二硫化鉬做為電晶體通道，石墨烯為接觸電極及內連線。此製作過程具有推廣至任一種2D材料異質結構的有潛力，可能的應用包括可撓式透明電子元件、感測器、穿隧式場效電晶體與高電子遷移率電晶體。

2D材料在全球實驗室中引發了一股熱潮，它們與3D材料的電性與機械性質大相逕庭，意味著這些材料能用來製作許多嶄新的元件，如節能電子電路、低成本或可撓式顯示器、感測器，甚至是可以鍍在不同表面上的可撓式電子產品。最有名的2D材料是石墨烯以及過渡金屬二硫化物，後者俗稱為凡得瓦材料(van der Waals materials)，它們的化學式為MX₂(M代表過渡金屬，X代表硫族元素)，其塊材為間接能隙半導體，變成單原子層後卻轉為直接能隙半導體，因此能有效吸收、放出光子，是製造各種光電設備的理想選擇。

最近，由麻省理工學院(MIT)的Tomas Palacios領軍的研究團隊利用能選擇性蝕刻不同2D材料的新技術，首度將石墨烯與MoS₂異質結構合併為單一的電子裝置與電路。這個由MIT、哈佛大學、美國陸軍研究所(United States Army Research Laboratory)合組的團隊利用CVD製造了大面積的MoS₂與石墨烯，再將MoS₂蝕刻成隔離的通道，然後利用低溫原子層沉積與剝離技術，在通道上形成圖案化的氧化鋁(Al₂O₃)，做為介電層與蝕刻終止層。研究人員接著將大面積石墨烯薄膜轉移到樣品上。在Al₂O₃層保護著MoS₂的情況下，使用氧電漿把石墨烯切割成源極、汲極、閘極。

此製作程可以推廣至任何種類的2D材料上以製造出異質結構，應用在上述常見的異質接面裝置中。該團隊成員之一的Elton Santos表示，由於電路中每個元件都非常薄，完成後的裝置具有可撓性及透明度。這類結構可以用於穿戴式電子、感測器等能貼在任何表面的產品。

研究團隊正忙著嘗試將2D材料六角氮化硼(hexagonal boron nitride, hBN)加入結構中，作為薄絕緣層使用。他們也在努力製作無縫石墨烯/MoS₂接面，這類複合接面的應用包括光偵檢器與記憶體裝置。詳見Nano Letters | DOI: 10.1021/nl404795z。