新型晶体管超越硅和石墨烯


  辉钼矿(Molybdenite)这种矿物目前被用作润滑剂,但发现它原来具有非凡的电子特性,当沉积在单原子厚的条带中时就是这样。瑞士研究人员现在已经制成的高性能晶体管采用的就是这种形式的辉钼矿。以这种方式使用,这种矿物就有望用于更高效的柔性太阳能电池,电子产品,或高性能数字微处理器。

  类似石墨烯这种一个原子厚度形式的碳,“二维”辉钼矿的电气和光学性能远远高于这种材料的三维形式。

  研究人员中牵头的是安德拉斯·吉斯(Andras KIS),他们在法国高等洛桑联邦理工学院(EPFL:école Polytechnique Fédérale de Lausanne)制成辉钼矿晶体管,所使用的方法早期曾用于石墨烯研究。辉钼矿是一种相对廉价的二硫化钼(molybdenum disulfide)矿,具有层状结构,类似于石墨烯原料。吉斯的团体粉碎了折叠胶带之间的辉钼矿晶体,层层剥离,直到所有剩下都是单原子厚的薄片。然后,他们把这些钼片沉积在一种基质上,再增加一层绝缘材料,并使用标准光刻添加源极和漏极电极(source and drain electrodes)以及一个电子门,这样就制成一个晶体管。其他研究人员曾这样做过,但没有得到良好的性能。 吉斯说,辉钼矿晶体管具有电气流动性,类似的晶体管是用石墨烯纳米带制成。

  安德烈·盖姆(Andre Geim)和克斯提亚·诺沃塞劳乌(Kostya Novoselov)证明石墨烯的前景是在2004年,这一壮举赢得了2010年诺贝尔奖,之后,突然爆发出一阵兴趣,都制造和测试其他二维材料。但石墨烯被认为比任何其他材料都更有前景,其他材料就都被看成是好玩的,詹姆斯·霍恩(James Hone)说,他是哥伦比亚大学(Columbia University)机械工程教授。霍恩参与的一个团体曾经证明石墨烯是迄今测试过的最强材料。霍恩不属于洛桑联邦理工学院的研究人员,他希望他们的成果可以引发新的兴趣,以研究其他二维材料,特别是辉钼矿。“这是一个非常有前途的成果,可以让我们研究这种材料时更仔细,看看我们如何能够打磨出它更好的性能,”他说。

  重要的是,辉钼矿是一种半导体,这意味着它提供了分立的能级(energy level),可以让电子跳跃越过,这种属性称为带隙(bandgap)。这是关键的,可以让任何材料用于数字晶体管。石墨烯没有带隙,要给它一个带隙,研究人员就必须分层放置,或切成带状,这是复杂的,而且可以导致石墨其他性能的下降。“你必须非常辛苦,才可在石墨烯中开辟一个带隙,”詹姆斯·图尔(James Tour)说,他是莱斯大学(Rice University)化学和计算机科学教授。

  石墨烯最初被视为一种材料,可以取代硅,用于数字逻辑电路芯片,这种类型的芯片处在今天微处理器的核心。但因为如此难以把它制成半导体,所以越来越明显的是,石墨的前景在于别的地方,例如在超高速模拟电路中,这种类型可用于电信和雷达,费登·阿沃里斯(Phaedon Avouris)说,他领导IBM的团体开发石墨烯电子产品。辉钼矿的带隙特别有望用于太阳能电池,发光二极管,及其他光电器件。

  但这是不够的,难以让一种材料表明可以用于数字逻辑,阿沃里斯警告说。辉钼矿的属性必须进一步证明,之后,电子行业的人才会对它感到兴奋,他说。研究人员也将表明,例如,辉钼矿具有的属性是必需的,可显著放大电信号。“要说这是多么有前途,还言之过早,”阿沃里斯警告说。

  辉钼矿有望用于高性能微处理器,甚至在此被证明之前,甚或不能证明,研究人员都希望找到它的其他用途。“你可以买到数公吨(metric ton)的这些东西,”霍恩说。他指出,要努力制备液态悬浮辉钼片,这是实用的,可用于制造柔性太阳能电池等电子产品,这种手工剥离方法是吉斯使用的,不能实际用于制造大量设备。“一般来说,柔性电子产品使用聚合物,但钼矿更加稳定,”他预测。

  吉斯希望,他的研究结果将鼓励化学家研究生产钼片的问题,就像盖姆和诺沃塞劳乌鼓励人们研究一些方法,以制造大量的石墨烯。“要具有产业前景,你就需要有一些大型综合方法,以制作一种材料,”阿沃里斯说。“正是这同样的问题也出现在开始研究石墨烯的时候。”

  图尔说,吉斯的结果的确会鼓励化学工程师投入研究辉钼矿。他说,第一次实验石墨烯并没有充分展示其前景,研究人员也不知道如何使用它。经过多年使用石墨烯,化学家应该能够更好地使用辉钼矿。“你已经心里有数,知道如何处理它。这将极大地受益于我们一直在做的石墨烯工作,”图尔说。