超级新材料:2D磷烯有望超越石墨烯与硅材料

必发365登录入口2017年1月23日讯  2D导电材料的优点在于能在室温下实现趋近超导速度,加上极其适用于延伸ITRS开发蓝图——未来将需要原子级单层延续摩尔定律(Moore‘s Law)进展。遗憾的是,任何材料的原子单层都十分易碎,因而必须找到能够沈积多层而且是2D形式的导电材料。

国际半导体技术蓝图(ITRS)持续寻找矽替代材料的行动备受全球瞩目,业界期望能找到一种能以2D实现超高速的理想导电材料。石墨烯及其衍生版本碳奈米管(CNT)一直是最被看好的热门技术,但黑磷在光子学应用上也已经展现优于石墨烯的性能。

最近,加拿大麦基尔大学(McGill University)与蒙特利尔大学(Universite de Montreal)的研究人员们宣称,2D单层的黑磷——磷烯(phosphorene),能够展现优于石墨烯以及矽的纯粹电路电子特性。

2D导电材料的优点在于能在室温下实现趋近超导速度,加上极其适用于延伸ITRS开发蓝图——未来将需要原子级单层延续摩尔定律(Moore‘s Law)进展。遗憾的是,任何材料的原子单层都十分易碎,因而必须找到能够沈积多层而且是2D形式的导电材料。

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图中的黑磷模型说明其原子单层的“可折叠蜂巢式”内部结构。

“我们的研究显示可以诱导电子在多个2D形式的黑磷原子层中移动,”麦基尔大学教授Thomas Szkopek解释,“就纯科学的理由来看,我们仍然不知道电子如何在有限的2D中移动的细节;而在技术方面,这是因为电子元件在电子受限于2D时所展现的功能更好。”

在室温下,磷烯的电子迁移率已经被测定可达到矽(2700cm2??/Vs)的2倍,而在冷却时(3900cm2/Vs)更高达将近3倍,预计在针对相容基板与电极最佳化后,还可达到更高的电子迁移率。其缺点是黑磷单层一直表现得不够稳定,除非能够隔离于正常大气环境的保护之中。不过,麦基尔大学的研究人员们认为这并不算是太严重的问题,因为他们已经发现2D电子在黑磷中移动时甚至可穿透多层导电材料。

“大家都知道黑磷的稳定度不足,除非采取隔离于环境的预防保护措施。再者,黑磷单层越薄,就越不稳定。”Szkopek指出,“但根据我们的观察,其实并不需要在黑磷单原子层看到2D的电子运动,这对于未来的黑磷元件开发具有重要的实质意义。”

为了证明这个观点,研究人员们将黑磷制造成量子阱场效应电晶体(FET)裸晶,它能够以超过100,000的电流定值轻松地导通与断开。即使这种材料采用多层制造,研究人员们也能利用磁致传输测量展现2D载体。此外,研究人员们还预测这种磷烯FET能够以极低电压作业,实现低功耗作业。

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图为麦基尔大学与蒙特利尔大学的研究人员们携手打造出量子阱场效电晶体裸晶。

未来,研究人员将以最佳的磷烯层数与最佳介电质进行实验,期望能制造出磷烯FET与最佳金属触点。除了最佳化,研究人员们并计划研究如何在晶圆厂中大规模制造这种材料的方法。

麦基尔大学教授Guillaume Gervais、蒙特利尔大学教授Richard Martel也参与了这项研究。该研究中的磁场实验是在佛罗里达州的国家高磁场实验室进行;该实验室由美国国家科学基金会(NSF)、佛罗里达州以及美国能源部(DoE)共同赞助支持。

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