辉钼有望代替硅成为新一代半导体材料

2011-2-02 12:01 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网1月31日报道,近日,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)纳米电子学与结构(LANES)实验室称,用一种名为辉钼(MoS2)的单分子层材料制造半导体,或用来制造更小、能效更高的电子芯片,在下一代纳米电子设备领域,将比传统的硅材料或富勒烯更有优势。研究论文发表在1月30日的《自然·纳米技术》杂志上。

  辉钼在自然界中含量丰富,通常用于合金钢或润滑油添加剂中的成分,在电子学领域尚未得到广泛研究。“它是一种二维材料,非常薄,很容易用在纳米技术上,在制造微型晶体管、发光二极管(LEDs)、太阳能电池等方面有很大潜力。”洛桑联邦理工学院教授安德列斯·凯斯说,他们将这种材料同硅以及当前主要用于电子和计算机芯片的富勒烯进行了对比。

  同硅相比,辉钼的优势之一是体积更小,辉钼单分子层是二维的,而硅是一种三维材料。“在一张0.65纳米厚的辉钼薄膜上,电子运动和在两纳米厚的硅薄膜上一样容易。”凯斯解释说,“但目前不可能把硅薄膜做得像辉钼薄膜那么薄。”

  辉钼的另一大优势是比硅的能耗更低。在固态物理学中,能带理论描述了在特定材料中电子的能量。在半导体中,自由电子存在于这些能带之间,称为“带隙”。如果带隙不太小也不太大,某些电子就能跳过带隙,能更有效控制材料的电子行为,开关电路更容易。

  辉钼单分子层内部天然就有较大的带隙,虽然它的电子流动性较差,但在制造晶体管时,用一种氧化铪介质栅门就可使室温下单层辉钼的运动性大大提高,达到富勒烯纳米带的水平。富勒烯没有带隙,要想在上面人为造出带隙非常复杂,还会降低其电子流动性,或者需要高电压。由于辉钼直接就有带隙,可以用单层辉钼制造间带通道场效应晶体管,且在稳定状态下耗能比传统硅晶体管小10万倍。在光电子学和能量捕获应用领域,单层辉钼还能与富勒烯共同使用,形成优势互补。