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单层二维材料可批量制造超薄晶体管

2016.8.02

　　一种叫做二硫化钼的二维新材料可以在硅衬底上长出单层薄膜，为柔性电子器件的生产开辟了条新路。

　　用仅有几个原子那么厚的薄膜做出微型、柔性的电路，一直是研究人员的梦想。然而，把这类二维薄膜生长到需要的规模，并生产出成批可靠的电子设备一直是个难题。

　　现在，材料科学家们已经找出一种方法，可以在直径10厘米的硅片上生长出高质量的单层二维半导体，同时还能保持小样品中所具有的出色电学性质。他们已经用这种薄膜做出了几百个晶体管，经测试其中99%都有效。

　　“许多人都在努力长出这么大尺寸的单层材料，我也是其中之一，”都柏林圣三一学院的材料科学家Georg Duesberg说，“但他们好像真的做到了。”

　　科学家们正在试图生长的半导体材料是过渡金属二硫族化物（transition-metal dichalcogenides，简称TMD）。单层TMD有三层原子厚：包含一层过渡金属（如钼或钨）原子，夹在上下两层硫族元素（如硫、硒和碲）原子中间。

　　和它的碳基“表亲”石墨烯一样，TMD强度大、超薄、柔韧性好，并且能导电。然而与石墨烯不同的是，它们也是半导体——这意味着我们可以轻易地开关调节它们的导电性。TMD暂时还不能代替最著名的半导体——硅，毕竟硅的制造工艺已经经过数十年的打磨，变得十分成熟了。然而，它们可以形成厚度仅相当于如今硅片的千分之一的薄膜，这在柔性晶体管、显示器和光探测器上有着广阔的应用前景。

　　更大的薄层

　　TMD的薄层可以从多层晶体中剥离出来，就像石墨烯可以用胶带从石墨中粘出来一样。然而剥离的过程十分耗时耗力，得出的样品也大小厚薄不一。另外一种方法则悄悄兴起：把含有目标原子的气体通到衬底上方，将目标原子一个个沉积下来，生长出想要的材料。但此前为止，这种方法也只能生长出小面积的样品，而且往往还不止一层。

　　来自康奈尔大学的Jiwoong Park及其同事于4月29日在Nature发表文章，称他们已经用这种方法生长出大片单层的TMD。经过550 °C高温条件下超过26小时的实验，他们在直径10厘米的圆形硅晶片上生长出了两种TMD：二硫化钼和二硫化钨，还能以二氧化硅薄层相隔的多层TMD材料，这可能会促进垂直结构小型、高密度三维电路的产生。

　　哈佛大学的凝聚态实验物理学家Philip Kim说，能生长出只有三层原子厚度、长度超过厚度1亿倍的单层半导体材料，是“工程学上的奇迹”。

　　Park表示，这类单层材料不仅很均匀，而且其电学性质堪比从晶体剥离下来的薄层。而达成这一效果的秘诀，就是使用每个分子只含有一个过渡金属原子或一个硫族元素原子的气体，通过改变气体的压强，就可以控制每种成分的浓度，从而精细地调控薄膜的生长。

　　美国莱斯大学的材料科学家Pulickel Ajayan认为，这一技术是一项激动人心的飞跃，但要想制造出真正代表二维材料未来的商业器件，研究人员还需开发出在其他衬底、包括柔性衬底上生长薄膜的方法。

　　Duesberg则认为，生长大面积薄膜这一工作最重要的意义是它让研究者们意识到TMD在电子学上将有更实际的应用。TMD的优良之处不仅仅在于它们既薄又柔韧，也在于他们有着另外一些独特的性质，可能会在自旋电子学、谷电子学等方面有着其他的实验应用。

　　“许多人都相信TMD单层材料会给电子学带来一场革命，但直到现在人们还只停留在制造单个器件、观察奇特现象的阶段。”Duesberg说。

晶体管二维材料

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