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石墨烯+聚合物 電子遷移率更高

石墨烯+聚合物 電子遷移率更高

石墨烯(graphene)被很多人認為是矽材料的后繼者,因為其電子遷移率可達到矽的十倍以上,并解決了矽材料在制程微縮方面的許多問題;不過石墨烯缺乏制作電晶體所需的能隙(bandgap),也延遲了相關技術的發展。現在有研究人員提出以導電聚合物涂布石墨烯的方式,號稱能制造出價格比采用矽材料廉價許多的有機電子元件。

  瑞典于默奧大學(Umea University)的研究人員正與美國史丹佛大學(Stanford University)以及后者旗下的同步源實驗室(SSRL,原名為SLAC-史丹佛線性加速中心)合作,以新開發的石墨烯/聚合物混合材料打造原型,并有了顯著成果;研究人員不但大幅加速聚合物使之成為高遷移率半導體,該混合材料具備的高彈性,似乎能同時應用在平面電子元件以及垂直導向的LED與太陽能電池等元件。

  上述跨國研究團隊主持人、于默奧大學教授David Barbero表示,他們所開發的聚合物薄膜本身是軟性的,石墨烯層也是軟性的,而實驗所采用的玻璃與矽基板則是堅硬的,因此整體堆疊也是堅硬的;但是該石墨烯/聚合物薄膜也能應用在軟性基板上,讓整體堆疊也成為軟性,支援各種可撓性的應用。目前他的團隊正在史丹佛的SSRL進行實驗。

  要在整個晶圓片上沉積石墨烯并不容易,Barbero的團隊發現了一種方法,能輕易地在金屬上生長石墨烯層,然后將之轉移到幾乎任何一種基板上,包括實驗所采用的矽與玻璃,以及其他軟性聚合物基板。

  Barbero表示,研究團隊利用化學氣相沉積(CVD)技術與垂直,將大面積的單層石墨烯與銅箔合成;接著以旋轉涂布方式在該石墨烯層上添加聚合物層(聚甲基丙烯酸甲酯,poly-methyl meth-acrylate,簡稱PMMA),而銅箔部分則以過硫酸銨(ammonium persulfate)蝕刻、并以濕式清洗去除殘留。

  最后該石墨烯層漂浮在去離子水上,并轉移到矽或玻璃基板進行干燥,將PMMA分解之后就會剩余純凈的石墨烯層;Barbero指出:“下一步是在石墨烯上沉積半導體聚合物,這是利用稀釋過的溶液進行旋轉涂布直到干燥,然后就會產生厚度適中且均勻的薄膜。”

  在描繪新材料特性時,研究人員的大發現是該混合材料的電子遷移率反而會因為沉積厚度稍微較高的半導體聚合物而提升,這與其他薄膜可產生的作用正好相反;也就是說,若聚合物半導體的沉積厚度達到約50奈米,其電子遷移率的提升倍數會比沉積厚度僅10奈米的相同聚合物高出五十倍。研究人員推測,這是因為厚度較高的薄膜比較厚度低的薄膜,能提供隨機定向晶體之間更多的路徑(不同于單晶薄膜的晶體是并排的)。

  除了長出性能更佳的石墨烯,研究人員另一個發現是,該材料與表面垂直的軸心之傳導性也同樣好,使得該透明材料能成為例如廉價太陽能電池與LED等光電元件的優良候選材料。Barbero表示:“實驗結果顯示該種材料有潛力做為光電應用,而且利用石墨烯層確實很有機會打造出效率更高,且重量更輕、超薄、軟性的太陽能電池。”

  有了初步的發現,研究人員正著手進行在石墨烯層上添加不同半導體聚合物的實驗,目標是讓新材料的性能超越標準矽晶片,并讓所有種類的塑膠光電元件性能得到進一步的提升。

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