二維材料於半導體和能源產業的應用

二維材料是指在形成晶結構時，在垂直的方向只有一層分子，像一張紙。用以下將討論的MoS2(molybdenum disulfide，二硫化鉬)為例，從這二維結構的側面看，Mo原子居中，上下各有一S原子。所以雖然叫二維，但還是有一點三維的分量。從二維結構的上方來看，這些重複的MoS2分子形成六邊形的蜂巢狀結構。

二維結構始於石墨烯(graphene)的發現，石墨烯全是碳原子，也是六角形蜂巢結構。石墨(graphite)則是三維材料，以前常用的鉛筆芯就是石墨。鉛筆為什麼能用於書寫呢？因為石墨是由多層的石墨烯堆疊而成，但是各層石墨烯之間僅以微弱的凡德瓦力連接。當我們於鉛筆尖施加壓力時，最外層石墨烯與紙之間的磨擦力大過凡德瓦力，一層或數層的石墨烯就從石墨剝離(exfoliation)，留在紙上，這就是我們在紙面看到的鉛筆筆跡。

像石墨烯這樣由單一種原子形成的二維材料還有幾種，譬如由磷、矽等原子組成的二維結構。現在於應用領域研究的最密集的卻是TMD(Transition Metal Dichalcogenide，過渡金屬二硫屬化合物)，像前述的MoS2就是TMD的一種。

TMD由於其極大化的靜電效率(maximum electrostatic efficiency)、機械強度、可調電子結構、透光、傳感器選擇性等優異性質，開始被考慮用於電子、光子、感測、能源元件等領域。

在半導體中首先被考慮用於5nm以下製程的是MoS2，用於電晶體的通道(channel)。主要的好處是它的漏電流遠較矽小幾個數量級，因此功耗也很小。造成這現象的主要原因是MoS2的電子等效質量(effective mass)較矽大3倍左右，因此晶體管在「關」的狀態下漏電流小，代價是在「開」的狀況下通過的電流也小。但是MoS2的飽和電流並不會限制它繼續微縮，實驗上已展示將之用在1D2D FET(1D gated, 2D semiconductor FET)擁有極佳的性質，這使得MoS2在深奈米的電晶體應用上比矽為佳，這是目前最熱門的研發方向。

TMD的其他特性讓它在光電領域也有不少的應用。TMD的結構比鋼還結實，但可撓性佳，又透光，成為薄膜電晶體(Thin Film Transistor；TFT)的天生材料，又兼具前述的電性優勢，也可以做低功耗RF TFT，用於先進的IoT元件。另外，因為其層狀結構、高表面積、優良電化學的性質，在能源的應用中極適合當電極，譬如在超極電容或鋰離子電池。TMD的高表面積容易吸附離子，而層狀結構在反覆的充電/放電周期中容易維持穩定結構。

以前半導體有個詞叫深次微米，然後是奈米科技。一層MoS2的厚度是0.3nm，我們要進入次奈米世代了！