探讨二维材料在半导体和能源产业的应用

二维材料是指在形成晶结构时，在垂直的方向只有一层分子，像一张纸。用以下将讨论的MoS2(molybdenum disulfide，二硫化钼)为例，从这二维结构的侧面看，Mo原子居中，上下各有一S原子。所以虽然叫二维，但还是有一点三维的分量。从二维结构的上方来看，这些重复的MoS2分子形成六边形的蜂巢状结构。

图说：图为目前应用领域研究最密集的TMD之一─MoS2的晶体结构示意。

二维结构始于石墨烯(graphene)的发现，石墨烯全是碳原子，也是六角形蜂巢结构。石墨(graphite)则是三维材料，以前常用的铅笔芯就是石墨。铅笔为什么能用于书写呢？因为石墨是由多层的石墨烯堆叠而成，但是各层石墨烯之间仅以微弱的凡德瓦力连接。当我们于铅笔尖施加压力时，最外层石墨烯与纸之间的磨擦力大过凡德瓦力，一层或数层的石墨烯就从石墨剥离(exfoliation)，留在纸上，这就是我们在纸面看到的铅笔笔迹。

像石墨烯这样由单一种原子形成的二维材料还有几种，譬如由磷、矽等原子组成的二维结构。现在于应用领域研究的最密集的却是TMD(Transition Metal Dichalcogenide，过渡金属二硫属化合物)，像前述的MoS2就是TMD的一种。

TMD由于其极大化的静电效率(maximum electrostatic efficiency)、机械强度、可调电子结构、透光、传感器选择性等优异性质，开始被考虑用于电子、光子、感测、能源元件等领域。

在半导体中首先被考虑用于5nm以下制程的是MoS2，用于晶体管的通道(channel)。主要的好处是它的漏电流远较硅小几个数量级，因此功耗也很小。造成这现象的主要原因是MoS2的电子等效质量(effective mass)较硅大3倍左右，因此晶体管在「关」的状态下漏电流小，代价是在「开」的状况下通过的电流也小。但是MoS2的饱和电流并不会限制它继续微缩，实验上已展示将之用在1D2D FET(1D gated, 2D semiconductor FET)拥有极佳的性质，这使得MoS2在深纳米的晶体管应用上比硅为佳，这是目前最热门的研发方向。

TMD的其它特性让它在光电领域也有不少的应用。TMD的结构比钢还结实，但可挠性佳，又透光，成为薄膜晶体管(Thin Film Transistor；TFT)的天生材料，又兼具前述的电性优势，也可以做低功耗RF TFT，用于先进的IoT元件。另外，因为其层状结构、高表面积、优良电化学的性质，在能源的应用中极适合当电极，譬如在超极电容或锂离子电池。TMD的高表面积容易吸附离子，而层状结构在反复的充电/放电周期中容易维持稳定结构。

以前半导体有个词叫深次微米，然后是纳米科技。一层MoS2的厚度是0.3nm，我们要进入次纳米世代了！