物理

奈米元件新秀:磷化鎵

原子等級的自組裝技術,讓原子自行堆疊成奈米線。

撰文/洪志良

物理

奈米元件新秀:磷化鎵

原子等級的自組裝技術,讓原子自行堆疊成奈米線。

撰文/洪志良


萬丈高樓平地起:奈米線原子級自組裝的成長機制可望突破奈米元件微型化的技術瓶頸。)


你有看過金氏世界紀錄裡最小的停格電影「小男孩與他的原子朋友」(A Boy and His Atom,參見2013年8月號〈最小的微電影〉)嗎?IBM阿馬丹研究中心的研究人員利用溫度、壓力與振動,精準捕捉、排列並塑造單一原子,拍出這齣微電影。現在,科學家不只能以原子做為主角拍攝電影,還能讓原子自己長成奈米線!交通大學電子物理系的助理教授周苡嘉與IBM華生研究中心找出了磷化鎵(GaP)奈米線原子級自組裝(self-assembly)的成長動力機制。


目前以矽為主的奈米元件(例如電晶體)面臨兩大挑戰:性能更佳的替換材料以及元件微型化。科學家發現部份三五族材料(週期表中三族元素與五族元素的化合物,例如磷化鎵、砷化鎵)有著良好的發光特性,而且傳導電子的速度比矽更快,可製成積體電路、發光二極體、太陽能電池等。另一方面,10奈米以下的元件微型化至今仍是一項無法突破的關鍵技術,周苡嘉表示,精確了解原子等級的成長機制,可望突破現有元件微型化的技術限制,提供奈米元件實際應用與精密控制。


雖然磷化鎵奈米線的成長機制與矽奈米線相仿,都是利用蒸氣液體生長法(vapor-liquid-solid, VLS),但是比較複雜。矽奈米線自組裝的方式是:把金鍍在矽基板表面,經過加熱使金與部份矽基板的矽轉變成液態;再通入含有乙矽烷的氣體,此時乙矽烷中的矽會融入金與矽的液體中,矽在液體中達到過飽和之後,便會析出矽奈米線。磷化鎵奈米線的自組裝方式則是,通入含有三甲基鎵(TMGa)與磷化氫(PH3)的氣體,鎵與磷融入金與矽的液體中而析出磷化鎵奈米線。


周苡嘉團隊以穿透式電子顯微鏡觀察磷化鎵奈米線的成長過程,發現由於磷化鎵的雙晶結構影響,即便在PH3與TMGa的氣體壓力比值固定時,每個原子層的成長速率仍有不規律的變化。周苡嘉從不同成長條件的影片中抽絲剝繭,整理出不同狀態下的成長速率,最終發現當這個比值低於50以下時,原子層的成長速率會有規則的變化,並且建立了簡單的成長模型。該研究成果刊登於今年1月的《科學》。


周苡嘉指出,這項技術讓我們更了解一維三五族奈米線的原子級成長動力學。未來,在最佳成長條件下,可產出兼具微型化與高效能的元件,應用於新一代半導體和生醫產業中。