其他

石墨薄膜大賽

奈米碳薄片大量生產的技術,又有了新進展!

撰文/艾胥利 ( Steven Ashley )
翻譯/甘錫安

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石墨薄膜大賽

奈米碳薄片大量生產的技術,又有了新進展!

撰文/艾胥利 ( Steven Ashley )
翻譯/甘錫安


矽造就了數位世界,但研究人員一直在尋找其他材料,希望將積體電路做得更小、更快、成本更低。在眾多材料當中,最受矚目的就是石墨薄膜,也就是由蜂巢形碳環構成的薄片,只有一個原子的厚度。這種奈米材料具備多種特色,包含強度超高、透明(因為非常薄),以及極為快速的電子傳導性,因此相當適合用於製作可撓式顯示裝置及超高速電子裝置。雖然誕生至今僅四年,但目前已可在電晶體、記憶體等原型產品中,看見石墨薄膜的身影。


但要真正從實驗室走入市場,工程師必須設法大量生產面積大、結構均一、不含雜質的單層石墨薄膜。有好幾種處理方法都在研發中,但何種方式最後能夠成功,目前還不明朗。美國萊斯大學化學家涂爾(James M. Tour)指出:「有些研究團隊宣稱能以低廉的成本在整片矽晶圓上製作單層石墨薄膜,但目前還沒有團隊公開展示過。」


英國曼徹斯特大學的蓋姆(Andre K. Geim)是石墨薄膜的發現者,他表示,製作少量石墨薄膜其實十分簡單。他指出,事實上「當你用鉛筆在紙上畫線時,就會生成少量石墨薄膜」,因為鉛筆中的石墨其實就是由石墨薄膜堆疊而成。最早期的石墨薄膜製作方法其實跟用鉛筆寫字相當類似:研究人員先刮下少許石墨,再用顯微鏡檢視碎屑,尋找適合的樣本,或用膠帶分離單獨的石墨薄片。


儘管大多數科學家認為這種機械「剝離」方式僅能用於產生極少量的石墨薄膜,但蓋姆不怎麼同意:「這種製作方式已經進步了,現在可製作出符合需求的石墨薄膜。」他的方式是使用超音波將石墨變成單獨的薄膜層,分散在液體中。接著將懸浮液放在平面上蒸乾,如此會在平面上留下一層石墨薄膜晶體。不過,這種多晶體層對於許多應用而言是否適用還不清楚,因為單獨薄片的邊界往往會妨礙電子快速流動。


化學剝離法或許可製作出比較大的樣本。2008年5月,美國威斯康辛大學普萊維爾分校的漢密爾頓(James P. Hamilton)和愛爾蘭三一學院的柯爾曼(Jonathan N. Coleman)曾經展示將石墨薄膜溶解在某種有機溶劑中。漢密爾頓表示:「將石墨薄膜放進桶中,倒入有機溶劑將它溶解,再除去溶劑,剩下灰色的東西就是純石墨薄膜。」漢密爾頓創立的「石墨薄膜解決方案」公司計畫將這種石墨薄膜轉化成結構均一的單晶體片,最後將製程加以商業化。


其他化學剝離技術同樣可行。目前任職於美國德州大學奧斯丁分校的羅夫(Rod Ruoff)和以前在西北大學的同事曾經展示,將石墨薄膜溶於水中再加入酸,可產生能分解成一片片的石墨氧化物,再將這種懸浮在液體中的碎片沉積在基材上,形成薄膜,然後加入其他化學物質或加熱以去除氧原子團,產生石墨薄膜。


美國路特格大學的科學家發現,火箭燃料可以當做脫氧劑,也就是活性極大且毒性相當強的聯胺蒸汽。2008年,美國加州大學洛杉磯分校的楊陽和肯納(Richard B. Kaner)使用液態聯胺簡化了路特格大學團隊的方法。楊陽表示:「我們將薄片沉積在矽晶圓或比較容易彎曲的其他基材上。」結果產生出由許多小片組成的單層薄膜。他們正在努力改良薄膜的品質,以及尋找比聯胺更安全的替代方案。


美國麻省理工學院等各地的研究人員正在研究使用化學氣相沉積法(CVD)製作石墨薄膜,這種已具基礎的製程可以很快跟微晶片生產技術整合在一起。在CVD技術中,揮發性化學藥劑互相作用,沉積在基材表面,形成薄膜。電子工程師孔敬表示,麻省理工學院的製程採用簡單的爐管,裡面放置鎳基材。她進一步說明:「我們從一端放入碳氫化合物氣體,氣體受熱後分解。」碳原子落在鎳金屬表面,鎳扮演催化劑角色,協助形成石墨薄膜。不過孔敬表示,石墨薄膜的品質取決於基材,例如基材是鎳的多晶體或單晶體。可惜的是,效果最佳的單晶鎳相當昂貴。


以CVD技術製作石墨薄膜已經帶來目前為止最大的成果。由南韓成均館大學的洪賓輝(音譯)帶領的研究團隊製作出高品質薄膜,讓科學家壓印在可彎曲的透明聚合物上,製作成透明電極。這種電極經過改良之後,將可取代顯示器中昂貴的透明電極(通常由銦鈦氧化物製成)。


石墨薄膜製作競賽未來的勝利者可能不只一個。愛爾蘭三一學院的柯爾曼表示,這種溶劑剝離法目前可以製作的石墨薄膜厚度為數十微米,「應該最適合生產中等產量,但世界各地的晶片生產廠商會比較有興趣以CVD生產大量石墨薄膜。」這種技術目前可生產的樣本最大達數平方公分,但最棒的一點應該是,這些方法似乎都沒有遭遇難以克服的阻礙。正如萊斯大學的涂爾所說:「我敢說這些問題都可以在一、兩年之內解決。」