由美国德州大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）奈米材料科学家 Deji Akinwande 所带领的团队，日前于《自然（Nature）》期刊发布研究结果，表示已成功制造出仅有单原子厚度的硅烯（silicene）晶体管。若日后问世，有望为半导体产业带来一波革新。
硅烯（silicene）的概念从 2008 年被提出后，始终被学术界认为只是“理论上”可行的材料，一直到 2012 年，科学家才在实验室成功制造出硅烯，之后不少科学家便尝试应用硅烯技术于电子零件上。
先前《科技新报》曾介绍结构上与硅烯相似的石墨烯，其为目前最薄且电阻率最小的奈米材料，因此备受业界关注，不过，虽然石墨烯导电能力极佳，但它缺乏能隙（band gap）*注一，意味着石墨烯中没有“电子态无法存在”的能量范围，不适合作为晶体管的材料，除非找出能创造出人造能隙的方法，如施加电场、掺杂原子等。
注一：能隙（band gap）泛指半导体或绝缘体的价电带（valence band）顶端至导电带（conduction band）底端的能量差。电子可以存在半导体中，并绕原子核运行的区域称为能带 （Energy band），而电子原本是在能带的价电带中，但若对半导体外加能量，电子吸收能量后就会跳过能隙，直接跳跃到导电带，而价电带与导电带间没有电子存在的区域，就称为“能隙”。“能隙的大小”就是价电带与导电代间的能量差。
▲图为半导体能带结构示意图。下方 3 条灰带为充满电子的带，最上方 1 条灰色带为价电带；价电带上方白色带为能隙；能隙上方的白色带为导电带。（图片来源：维基百科）
但为何缺乏能隙的材料难以用于晶体管中呢？曾参与 2012 年制造硅烯团队的法国艾克斯─马赛大学材料科学家 Guy Le Lay 表示，能隙是让半导体组件能执行开启与关闭的关键，利用能隙的特性，科学家才能让半导体执行“0 与 1”的 2 进位位元逻辑运算。因此相较之下，硅烯比石墨烯更适合作为晶体管的材料。
不过，有别于石墨烯可直接从较大的晶体将薄片剪裁下来，硅烯的制程较为繁复。奈米材料科学家 Akinwande 的团队在真空室里，将硅蒸气沉积在银晶体上，于银晶体表面形成硅烯单层薄片，但硅烯暴露在空气中时很不稳定，科学家便用 5 奈米厚的氧化铝覆盖在硅烯表面，并剥离硅基材料，将银翻转朝上，放置在氧化硅基板上，最后，再将部分银刮掉，留下薄层的银与铝，而硅烯则夹在银、铝间，制出单原子厚的硅烯晶体管。
▲图为硅烯结构图。（图片来源：flickr/Worldofchemicals Media by CC 2.0）
科学家制造出的硅烯晶体管体积相当小，且相较于现今晶体管，硅烯材料晶体管更能提升芯片效能、且耗能相对较少。Akinwande 表示，虽然目前这款晶体管还不太稳定，若硅烯暴露在空气中，2 分钟就会开始降解（degrade），生命周期只有短短几分钟而已，但这项技术已在学术界引起关注，目前研究团队仍在尝试能让硅烯晶体管延长生命周期的方法。
这项新技术对晶体管材料的运用来说，俨然是别具意义的里程碑，除了可望提升芯片效能外，更证明了硅烯不只是“理论上”行得通的理想材料，而是真能为半导体产业带来革新的创新技术。
- Graphene’s cousin silicene makes transistor debut
（首图来源：flickr/Paul Downey by CC 2.0）
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