石墨薄膜科技可能在未來取代半導體產業

褚志斌　(芝加哥大學博士後研究員)

石墨薄膜(graphene)是由碳原子組成的平面薄膜，這個結構三年前才被發現。它的厚度只有一個原子的厚度，而且因為電阻極低，因此是非常好的導體。英國曼徹斯特大學(University of Manchester, UK)的Andre Geim教授和同事製造出了單層石墨薄膜的單電子電晶體(single electron transistor、SET)。這個單電子電晶體只有十奈米寬(10 nanomaters)。這個電晶體可以裝一個電子，因此當一個電子進入這個電晶體後，便會阻絕其它電子進入，這種現象稱之為庫倫堵塞效應(Coulomb Blockade)。因此，只要將單一一個電子移進或移出這個電晶體，就可以控制這個電晶體的開和關。而只是移動一個電子所需要的閘極電壓(gate voltage)很小，加上石墨薄膜的電阻又很低，因此只要改變一點點的電壓，就可以產生很大的電流。由此可知，這個奈米尺度的電晶體不但體積很小，且會非常靈敏又能快速反應。先前科學家曾經利用傳統的半導體材料，例如矽，來製造這種極小極靈敏的電晶體，可是矽材料的奈米電晶體只能存在於極低的低溫。在常溫下，該種小尺度的矽電晶體會迅速氧化分解而失去效用。Geim和同事成功利用石墨薄膜為材料製造出能存在於常溫的奈米電晶體，其想法與一部分研究寫成回顧性論文發表在自然材料雜誌(Geim AK & Novoselov KS Nature Mater., 6:183-191, 2007)，而更詳細的步驟則投稿到物理評論通訊(Physical Review Letters)。

紐約哥倫比亞大學(Columbia University, New York)的Pablo Jarillo-Herrero教授也是石墨薄膜的專家，他指出碳原子材質的石墨薄膜在薄膜邊緣會有一些不規則的碳支鏈，這些碳支鏈會導致電子散射(scatter)，而使得電晶體的效率降低。整個碳支鏈會導致何種程度的電子散射還不清楚，不過Jarillo-Herrero教授認為可以透過化學方法修改石墨薄膜的邊緣來盡量降低散射。目前半導體業界預測到了西元2020年，半導體材質的電晶體體積可以縮小到20奈米，不過那也是矽等半導體材質電晶體的體積和效能的極限，無法再進一步縮小。因此石墨薄膜的單層原子單電子電晶體具有比矽等材料的半導體電晶體更大的潛能和發展空間，科學家預測其將逐漸取代半導體材料。目前Geim團隊在製造石墨薄膜奈米電晶體時很大一部分時間需要靠運氣，因為他們雖然可以製造奈米尺度的電晶體，但是卻不是每一次都小到只能容下一個電子。不過Geim教授並不擔心，他認為未來成熟的微製造(microfabrication)技術將可以穩定地製造奈米級的石墨薄膜單電子電晶體。

科學家普遍樂觀地認為石墨薄膜的科技可以廣泛應用於各種科學領域。首先，體積變小、速度變高的電晶體將使電腦的運算更為快速，高速電腦將加速天文、理論物理、生物資訊等領域的發展。石墨薄膜也可以用來充當篩選過濾氣體或液體分子的濾網，因為其結構的孔洞很小且石墨薄膜材質不易和多數物質產生反應。Geim教授認為，石墨薄膜雖然只有一層碳原子，但其實它並非真正的二度空間平面，否則會極易碎。他認為，這個石墨薄膜其實是輕微的波浪狀，是趨近於平面的立體結構，而這種波浪結構可以讓石墨薄膜在常溫下穩定存在。半導體產業是台灣經濟的重要命脈之一，因此台灣應當投入更多經費與人力研究石墨薄膜，以便維持台灣未來在電子、材料和半導體產業的領先地位。