第二章 文獻回顧
2.5 石墨烯材料的應用
(a) 高速電晶體
目前以矽做材料的電晶體，電子遷移率大約 1500~2000 cm2/V·s，但是石墨 烯的電子遷移率卻可輕易的高達105 cm2/V·s 以上，未來石墨烯技術發展成熟，
將可做成超高頻通訊電晶體，電腦中央處理器的操作頻率也可以從現行的 GHz 等級，晉升到Tera Hz。所謂電子操作頻率就是電子在正負極間不斷交換位置，
然而電子有質量，交換位置的速度太快就會支撐不住，所以讓降低電子的質量，
可達更高操作頻率。而石墨烯的特性之一是電子有效質量接近於零，因此可以大 幅提高頻率，增加電腦的運算速度。
IBM 公司於 2008 年研發出號稱全世界速度最快的石墨烯場效電晶體 (FET) ， 可 在 26 GHz 頻 率 下 操 作 [34] ， 他 們 的 作 法 是 使 用 絕 緣 上 覆 矽
(silicon-on-insulator)晶圓片所製造，在石墨烯頂部製作閘極，電晶體是透過執行 不同的閘極電壓與長度來達到高頻的運作，研究結果顯示，峰值截止頻率 (cut-off frequency)與閘極長度成反比，而目前閘極長度為 150 nm，截止頻率可達 26 GHz，如圖 2.27(a)所示。此研究團隊更於 2010 年，發表了閘極長度 240 nm，截 止頻率已高達100 GHz[35]，如圖 2.27(b)所示。因此，石墨烯在高速電晶體應用 上，成果令人期待。
(a) (b)
(a) (b)
圖2.27 (a)截止頻率 (Frequency)與電流增益 (|h21|)關係圖，插圖為最高截止頻率 (fT)與閘極長度(LG)關係[34]；(b)截止頻率 (Frequency)與電流增益 (|h21|)關係圖 (閘極長度 240 nm、550 nm)[35]。
(b) 單分子氣體偵測器
相較於其它材料而言，石墨烯的二維結構使其擁有巨大的表面積，這項特性 使石墨烯在感測器領域具有光明的應用前景，因此，石墨烯材料對周圍的環境非 常敏感，即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以被檢測到。原理是當一個氣體分 子被吸附於石墨烯表面時，吸附位置的電阻會發生局部的變化，如圖2.28 所示，
這種效應也會發生於別種物質，但石墨烯具有高電導率和低雜訊的優良品質，能 夠偵測非常微小的電阻變化[36]。
圖2.28 石墨烯曝露於不同氣體下(濃度 1 ppm)之電阻變化率，電阻變化率正(負) 號代表電子(電洞)摻雜[36]。
(c) 透明導電電極
石墨烯具有良好的電導性能和透光性能，因此在透明導電電極方面有非常好 的應用前景，液晶顯示器、觸控螢幕、高效太陽能電池、有機發光二極體等等，
都需要良好的透明導電電極材料。以液晶顯示器為例，其原理是兩片透明電極內 夾著液晶分子，透過外加電壓旋轉液晶分子來控制LCD 的透光，所以透明導電 電極的光吸收率越少越好，目前業界廣為運用氧化銦錫（indium tin oxide, ITO）
來做為透明導電電極，但由於氧化銦錫脆度高、易損毀，且銦元素為稀有金屬，
價格昂貴，具有毒性，最重要的是石墨烯光穿透性極高，每層吸收率僅約 2%[37]，如圖 2.29 所示，遠低於一般氧化銦錫的 15~18 %，故石墨烯為非常好 的替代材料。
圖2.29 石墨烯層數與光吸收率之關係圖[37]。
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