石墨烯之電子特性與電子元件之應用潛力(上)：材料世界網

近二十年來，材料科學蓬勃發展，有機化學合成材料成為最熱門的研究領域之一。其中，碳材料的發展特別引人注目，一般熟知的碳材料有石墨(Graphite)、鑽石(Diamond)及非晶碳(Amorphous Carbon)，以上皆屬於三維結構的碳材料。在1985年發現的富勒烯(Fullerene)，是由六十個碳原子組成直徑僅約1.1 nm的足球狀結構，形成天然的零維系統。到了1991年，奈米碳管(Carbon Nanotube)問世後，提供了一個在物理上更趨近真正一維的結構，藉由奈米碳管的研究，得以證明許多以一維近似的理論模型，更由於其特殊結構與優異的電子傳導特性，在場發射、複合材料之強化、透明電極與電子元件邏輯閘等應用極具潛力。2004年第一個最薄的二維材料－單原子層石墨又稱為石墨烯(Graphene)，經由機械剝離沾黏轉印的方式實現於矽晶片表面，科學家們沿襲著對奈米碳管的了解，以極快的速度研究此特殊的材料，發現其中不僅蘊含著豐富的物理特性，更具有可應用於未來市場上極高的潛力。

石墨烯之能帶結構
石墨烯具有之各項特殊的電子特性，皆源自於其特殊的能帶結構(Band Structure of Graphene)，藉此，我們將首先介紹石墨烯之電子能帶結構。
碳，位於周期表中的第六個原子，其電子組態表示為1s²2s²2p²，四個外圍電子經過線性疊加後，可構成三種不同的混成軌域sp、sp²與sp³，分別可組成一維鏈狀、二維平面及三維立體結構。其中，sp2混成軌域包含三個於x、y平面上夾角120°的共價鍵與一垂直平面之pz軌域（圖一(a)），兩碳原子分別以sp2共價鍵鍵結，鍵長為1.42Å，組成六角對稱的蜂窩狀平面結構，垂直平面之pz軌域內存在自由的π電子，兩相鄰近π電子波函數以對稱與反對稱的方式偶合後，便組成可傳導電子之π與π*能帶，即分別為石墨烯之價帶(Valance Band)與導帶(Conduction Band)。

圖一、(a) sp²混成軌域之鍵結圖示；(b)二維平面石墨烯之晶格結構；(c)石墨烯之倒晶格結構；(d)石墨烯之電子能帶圖；(e)石墨烯之能態密度圖

石墨烯電晶體
石墨烯電晶體(Graphene Transistor)與傳統矽電晶體（圖六(a)）利用閘極產生二維電子反轉層之工作原理略有不同，石墨烯天然的二維π電子氣即可進行雙載子的傳導。首位實現單原子層石墨的A. K. Geim與K. S. Novoselov利用高定相熱解石墨(Highly Ordered Pyrolytic Graphite; HOPG)做為材料，其層狀結構可用膠帶沾黏表面後，以機械剝離的方式將單層石墨轉印至具有300 nm氧化矽之矽晶片表面，由色彩對比與拉曼光譜判斷單層石墨的位置後，再以微影蝕刻的方式接上汲極(Drain)與源極(Source)，即完成石墨烯電晶體之製作（圖六(b)），此技術的確可得到高品質之石墨烯，但由於機械剝離之石墨隨機分布於氧化矽表面且厚薄不均，不利與矽製程整合。在2006年發現，可於碳化矽[0001] 表面以高溫1,300~1,600°C 之熱裂解方式使矽原子脫附，留下大面積單層的石墨烯，同樣地
接上左右電極與上閘極(Top-gate)，即可得到高品質之石墨烯電晶體（圖六(c)） ……以上內容為重點摘錄，如欲詳細全文請見原文

圖六、(a) n-channel Si MOSFET側視圖；(b)利用轉移方式製備之石墨烯電晶體；(c)直接成長於SiC表面之石墨烯電晶體