石墨烯+聚合物　電子遷移率更高

　　石墨烯(graphene)被很多人認(rèn)為是矽材料的后繼者，因?yàn)槠潆娮舆w移率可達(dá)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(guān)技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)在有研究人員提出以導(dǎo)電聚合物涂布石墨烯的方式，號(hào)稱能制造出價(jià)格比采用矽材料廉價(jià)許多的有機(jī)電子元件。

　　瑞典于默奧大學(xué)(Umea University)的研究人員正與美國史丹佛大學(xué)(Stanford University)以及后者旗下的同步雷射光源實(shí)驗(yàn)室(SSRL，原名為SLAC-史丹佛線性加速中心)合作，以新開發(fā)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(dǎo)體，該混合材料具備的高彈性，似乎能同時(shí)應(yīng)用在平面電子元件以及垂直導(dǎo)向的LED與太陽能電池等元件。

　　上述跨國研究團(tuán)隊(duì)主持人、于默奧大學(xué)教授David Barbero表示，他們所開發(fā)的聚合物薄膜本身是軟性的，石墨烯層也是軟性的，而實(shí)驗(yàn)所采用的玻璃與矽基板則是堅(jiān)硬的，因此整體堆疊也是堅(jiān)硬的;但是該石墨烯/聚合物薄膜也能應(yīng)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(yīng)用。目前他的團(tuán)隊(duì)正在史丹佛的SSRL進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

　　要在整個(gè)晶圓片上沉積石墨烯并不容易，Barbero的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種方法，能輕易地在金屬上生長石墨烯層，然后將之轉(zhuǎn)移到幾乎任何一種基板上，包括實(shí)驗(yàn)所采用的矽與玻璃，以及其他軟性聚合物基板。

　　在石墨烯層上添加半導(dǎo)體聚合物能大幅提升電子遷移率

　　(來源：Umea University)

　　Barbero表示，研究團(tuán)隊(duì)利用化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)與垂直石英管，將大面積的單層石墨烯與銅箔合成;接著以旋轉(zhuǎn)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(jiǎn)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(zhuǎn)移到矽或玻璃基板進(jìn)行干燥，將PMMA分解之后就會(huì)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(dǎo)體聚合物，這是利用稀釋過的溶液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂布直到干燥，然后就會(huì)產(chǎn)生厚度適中且均勻的薄膜?！?/p>

　　在描繪新材料特性時(shí)，研究人員的大發(fā)現(xiàn)是該混合材料的電子遷移率反而會(huì)因?yàn)槌练e厚度稍微較高的半導(dǎo)體聚合物而提升，這與其他薄膜可產(chǎn)生的作用正好相反;也就是說，若聚合物半導(dǎo)體的沉積厚度達(dá)到約50奈米，其電子遷移率的提升倍數(shù)會(huì)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(cè)，這是因?yàn)楹穸容^高的薄膜比較厚度低的薄膜，能提供隨機(jī)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)。

　　圖中顯示為何厚度較高的薄膜能具備更高的電子遷移率

　　(來源：Umea University)

　　除了長出性能更佳的石墨烯，研究人員另一個(gè)發(fā)現(xiàn)是，該材料與表面垂直的軸心之傳導(dǎo)性也同樣好，使得該透明材料能成為例如廉價(jià)太陽能電池與LED等光電元件的優(yōu)良候選材料。Barbero表示：“實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該種材料有潛力做為光電應(yīng)用，而且利用石墨烯層確實(shí)很有機(jī)會(huì)打造出效率更高，且重量更輕、超薄、軟性的太陽能電池?！?/p>

　　有了初步的發(fā)現(xiàn)，研究人員正著手進(jìn)行在石墨烯層上添加不同半導(dǎo)體聚合物的實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)是讓新材料的性能超越標(biāo)準(zhǔn)矽晶片，并讓所有種類的塑膠光電元件性能得到進(jìn)一步的提升。