矽烯能否接棒石墨烯，改寫未來材料科技？
近年來，石墨烯 (Graphene) 掀起了一股材料科技的熱潮，這種由碳原子以蜂巢狀排列構成的二維材料，以其驚人的強度、導電性和熱導性，成為眾多科學突破的關鍵，然而，您是否聽說過矽烯 (Silicene)？這是一種由矽原子構成的蜂巢狀二維材料，不僅有著與石墨烯許多相似的物理特性，還因其與現有矽基半導體技術的高度兼容性，以及其高度的柔軟度，被視為次世代電子科技的明日之星！
撰文｜黃鼎鈞
2004 年，石墨烯 (Graphene) 的成功分離為材料科學界帶來了全新的展望，這種由單層碳原子組成的蜂巢結構材料，因其出色的機械強度、高導電性及熱導性能，迅速成為科學研究和技術應用的焦點（更多石墨烯的介紹可參閱市面上的石墨烯產品，真的有那麼厲害嗎？）。雖然石墨烯因其零能隙特性，具備如金屬般的極高導電能力，但也因此無法在半導體工業中用於電子元件，因為這些元件需要能隙來實現有效的開關操作，半導體材料的能隙允許電子在施加電壓時進入導電狀態（開啟），在沒有電壓時保持絕緣狀態（關閉），這種開關特性是數位電路與邏輯運算的基礎。
在1994年時，科學家Shiraishi 和 Takeda就已經以第一原理計算預測了半導體材料的代言人——矽 (Si) 也具由二維的形式，也就是能像石墨烯一樣僅以一單一原子層而存在，這樣的材料後來被命名為矽烯 (Silicene)，矽烯不僅與石墨烯有著許多相似的優異特性，還具有可調控的能隙，更因其與現有半導體以矽為基礎的元件有著高兼容性而成為次世代電子元件的理想候選材料。
可調控式的能隙
矽烯與石墨烯同樣具有蜂巢狀晶格的排列，且一樣具有零能隙的電子結構，能呈現如金屬般的導電，然而，矽烯中的矽原子具有較大的原子半徑，使其呈現與石墨烯不同的「皺褶結構」(buckled structure)，即其原子排列稍有高低起伏，這樣的排列方式使得原子的電動勢容易受到外部垂直電場的影響，當矽烯被施加一垂直電場時，就能破壞晶格的對稱性，進一步使其能隙被打開，成為了可調控式的能隙。除了施加外部電場外，也能透過化學修飾改變矽烯的電子結構，因為矽烯表面容易吸附氫或鹵素（如氟、氯），這些元素會參與其化學鍵結的混成，使其能隙被打開，成為半導體的導電特性。同時，有研究也指出將矽烯沉積在不同的基板上，使矽烯的晶格結構被改變，導致其晶格對稱性被破壞，進一步改變電子結構使能隙被打開，這種機制就像把矽烯放在一個特殊的模具中，模具的形狀會影響原子之間的拉扯，使得電子結構被改變，使材料能夠根據需求產生不同的電子特性。
矽烯的更多應用
除了能隙能被調控，由於矽烯具有高載流子遷移率和超薄結構，可望被用以實現高效能與低功耗的場效電晶體（FET），FET 的主要功能是作為電子訊號的開關或放大器，廣泛應用於邏輯電路、處理器及儲存設備中。此外，矽烯還能被設計成低電壓的開關元件，例如隧道場效電晶體（TFET），TFET 通過量子隧道效應來完成開關操作，因此，它能在極低的工作電壓下工作。不只如此，現代的科技追求更貼身的可撓式電子設備，矽烯比起石墨烯更為柔軟，更適合被應用在穿戴式的設備之中。
近年來自旋電子元件的發展，提供了科技元件另一個維度－自旋的調控，可以實現更高效的數據存儲和處理，而矽烯比起石墨烯有個更強的自旋軌道耦合現象，自旋軌道耦合是電子的自旋與其軌道運動之間的相互作用，這種作用可以讓電子的運動方式改變，就像在道路上規劃出單行道一樣，特定方向的電子可以被限定在特定的軌道中，這種效應被稱為的量子自旋霍爾效應，這種現象能使電子在不消耗能量的情況下進行傳輸，因此，矽烯也被期待能在現有矽基半導體的基礎上成為發展量子科技的關鍵材料。
發展矽烯的瓶頸
儘管矽烯具有極大的潛力，但其在理論到實際應用的過程中仍面臨許多挑戰，首先是屬於目前二維材料皆面臨的挑戰，其商業生產成本過高，也難以大面積製造，而矽烯又比石墨烯難以製造。不僅如此，矽烯在空氣中極易氧化，因此如何提升其穩定性仍時材料科學家棘手的問題。儘管能帶間隙的調控上，矽烯帶來了極具潛力的應用，但是現有技術中仍難以在不破壞樣品的情況下使其產生足夠大的能隙，在過高的電場中，矽烯常會因此導致晶格變形或原子鍵斷裂，並進一步影響其皺褶結構，形成永久性的形變。
矽烯是材料科學領域的一顆新星，其獨特的物理特性和與矽技術的高兼容性，讓它在未來的電子科技、能源應用及量子計算領域充滿可能性，然而，從理論到實際應用，矽烯還需要克服製備技術、操作穩定性與成本等方面的挑戰，期待科學家持續的探索，能將矽烯的潛力完全發揮出來，使我們的科技更上一層樓。
參考文獻
- Takeda, K., & Shiraishi, K. (1994). Theoretical possibility of stage corrugation in Si and Ge analogs of graphite. Physical Review B, 50(20), 14916.
- Guzmán-Verri, G. G., & Lew Yan Voon, L. C. (2007). Electronic structure of silicon-based nanostructures. Physical Review B—Condensed Matter and Materials Physics, 76(7), 075131.
✨延伸閱讀：《石墨烯的蝴蝶效應在量子科技上掀起風暴》《新時代的濾網：從病毒到海水都能過濾的石墨烯》《石墨烯與它的好朋友——六角硼氮》、《市面上的石墨烯產品，真的有那麼厲害嗎？》、《轉角電子學：超導與絕緣自由切換的轉扭》