美研制出超薄芯片原型,或将翻开调节光的新型

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研究突破获得准二维金,来自MIPT光子学和二维材料中心的研究人员合成了一种准二维金薄膜,揭示了通常不被归类为二维材料是如何形成原子薄层。这项发表在《先进材料界面》上的研究表明,利用单层二硫化钼作为粘接层,可以在任意表面沉积准二维金。由此产生的超薄金薄膜只有几纳米厚,导电性能非常好,对柔性和透明的电子产品非常有用。这一发现可能有助于开发一类具有独特控制光的新型光学超材料。

科技世界网     发布时间:2017-08-27    曼大研究人员本月宣布,已成功制成只有几原子厚的硒化铟材料。它拥有比石墨烯更好的半导体属性,是未来替代硅制作电子芯片的理想材料。 近十年来,全世界对石墨烯和二维材料的研究进行了巨大的投入。这些努力没有白费。近期,一种可应用于未来超算设备的新型半导体材料浮出水面。 这种半导体名为硒化铟,它只有几原子厚,十分接近石墨烯。本月,曼彻斯特大学和诺丁汉大学的研究人员们把这项研究发表在学术期刊《Nature Nanotechnology》上。 硒化铟(Indium Selinide,InSe)

据报道,美国斯坦福大学研究人员用二硫化钼研制出只有3个原子厚的芯片原型,并首次证明仅原子厚的超薄材料和电路可实现规模化生产。这些透明可弯曲材料未来可将窗户或车顶变成显示屏。

研究人员将斯坦福大学校标的纳米图片刻进超薄芯片中,同样技术未来可创建电子电路 (图片来源:斯坦福大学官网)

以前,只有晶格非常匹配的材料能被整合在一个芯片层上。据美国麻省理工学院网站1月27日报道,该校研究人员开发了一种全新的芯片制造技术,可将两种晶格大小非常不一致的材料——二硫化钼和石墨烯集成在一层上,制造出通用计算机所需的电路元件芯片。最新研究或有助于功能更强大计算机的研制。

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比石墨烯更好的半导体

石墨烯只有一层原子那么厚,具有无可比拟的导电性。全世界的专家们都在畅想石墨烯在未来电路中的应用。 尽管有那么多的超凡属性,石墨烯却没有能隙(energy gap)。不同于普通的半导体,它的化学表现更像是金属。这使得它在类似于晶体管的应用上前景黯淡。 这项新发现证明,硒化铟晶体可以做得只有几层原子那么薄。它已表现出大幅优于硅的电子属性。而硅是今天的电子元器件所普遍使用的材料。 更重要的是,跟石墨烯不同,硒化铟的能隙相当大。这使得它做成的晶体管可以很容易地开启/关闭。这一点和硅很像,使硒化铟成为硅的理想替代材料。人们可以用它来制作下一代超高速的电子设备。 石墨烯之父:它是硅和石墨烯中间的理想材料 当下,科学家们很喜欢把石墨烯和其他优秀的材料结合起来。让石墨烯的非凡属性和其他材料的特点进行互补。这往往产生令人兴奋的科学发现,并会以我们想象不到的方式应用在实际问题中。 “石墨烯之父 ”Sir Andre Geim说: “超薄的硒化铟,是处于硅和石墨烯之间的理想材料。类似于石墨烯,硒化铟具有天然超薄的形态,使真正纳米级的工艺成为可能。又和硅类似,硒化铟是优秀的半导体。” Sir Andre Geim 由于发现了石墨烯,Sir Andre Geim获得了诺贝尔物理学奖。他同时也是这项研究的作者之一。他认为,这项硒化铟的发现会对未来电子产业产生巨大冲击。

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据趣味科学网站近日报道,美国斯坦福大学研究人员用二硫化钼研制出只有3个原子厚的芯片原型,并首次证明仅原子厚的超薄材料和电路可实现规模化生产。这些透明可弯曲材料未来可将窗户或车顶变成显示屏。

在实验中,研究人员先将一层石墨烯铺在硅基座上,再将希望平铺二硫化钼处的石墨烯蚀刻掉,在基座的一端放置一根由PTAS材料制成的固体条,接着,加热PTAS并让气体流经它穿过基座。气体会携带PTAS分子并附着到暴露的硅上,但不会附着在石墨烯上。当PTAS分子附着时,会催化同其他气体的反应,导致一层二硫化钼形成。

石墨烯是第一个被发现的二维材料,它是一种单原子厚的碳原子片,呈蜂窝状。成功合成及其令人兴奋的性质,研究已经产生了一个全新的科学技术领域。关于石墨烯的开创性实验为MIPT的毕业生安德烈·海姆(Andre Geim)和克斯特亚·诺沃塞洛夫(Kostya Novoselov)赢得了诺贝尔物理学奖。从那时起,已经发现了100多种类似石墨烯的物质。它们有趣的特性在生物医学、电子和航空航天工业中得到了应用。这些材料属于层状晶体,它们的层间相互束缚较弱,但具有较强的内部完整性。

硒化铟是国立石墨烯研究院的最新成果

9778818威尼斯官网,国立石墨烯研究院 曼彻斯特大学的研究人员们需要克服一项首要问题,才能制作出高质量的硒化铟装置。由于太薄,硒化铟会快速被氧气和空气中的水分分解。为避免这种情况,硒化铟装置必须在氩气中制作。而这利用了曼大国立石墨烯研究院开发的技术。 这使得世界上第一片高质量、原子厚度的硒化铟薄膜被生产出来。它在室温下的电子迁移率达到2,000 cm2/Vs,远远超过了硅。在更低温度下,这项指标还会成倍増长。 当前的实验中,研究者们制作出的硒化铟长宽有几微米,大约相当于一根头发丝的横截面那么大。研究人员们相信,只要结合现有的制作大面积石墨烯的技术,硒化铟的商业化生产指日可待。 国立石墨烯研究院负责人,同时也是这篇论文作者之一的Vladimir Falko教授说: “国立石墨烯研究院开发的技术,能把材料的原子层进行分离,生产出高质量二维晶体。这项技术为开发应用于光电子学的新材料,提供了广阔的前景。我们一直在寻找新的层状材料做试验。” 超薄硒化铟,是飞速增长的的二维晶体大家族中的一员。这些二维晶体,根据结构、厚度和化学成分的不同,有许多有用的属性。对石墨烯和二维材料的研究,沟通了科学和工程技术。在今天,这是材料科学发展最快的领域。

由于目前的硅基芯片已很难进一步缩小,研究人员试图利用只有3个原子厚的单层材料取代硅芯片,石墨烯成为这类材料的首选。不过,石墨烯有个致命弱点,没有导电性,不能用来生产电路的核心部件晶体管。二硫化钼因其良好导电性及超薄性成为研究人员的新宠。

研究人员将论文发表在最新一期《先进材料》上。论文第一作者、MIT电子研究实验室的凌熙说:“新芯片内的材料层仅1到3个原子厚,有助于制备出超低能耗的隧穿晶体管处理器,从而制造出功能更强大的计算机。最新技术也有助于将光学元件整合进计算机芯片内。”

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但三明治结构二硫化钼在规模化生产中遇到难题:3个原子厚的二硫化钼无法铺展成制作芯片所需的拇指大小晶体,其困难程度如同用一张薄纸铺满整个斯坦福校园。

晶体管作为一种可变电流开关,要么允许电荷穿过,要么阻止电荷穿过。而在隧穿晶体管内,电荷会通过量子力学效应穿过壁垒。量子隧穿效应在微小尺度上更明显,比如在新芯片1到3个原子厚度的材料层上。另外,电子隧穿对限制传统晶体管效率的热现象免疫。所以,隧穿晶体管不仅能以极低的能耗操作,且能获得更高的速度。

准二维金,图片:Ella Maru Studio

该校电子工程学副教授艾瑞克·波普团队现在解决了这一难题。他们利用化学蒸气沉积工艺,通过加热让少量硫原子和钼原子蒸发,再让其沉积到玻璃或硅基底物上形成超薄晶体层,最后成功将三个原子厚的二硫化钼铺展成1.5毫米宽的晶体,其宽度是单原子厚度的2500万倍。

凌熙表示,最新制造技术适用于任何与二硫化钼类似的材料。该研究论文另一作者、电子工程和计算机科学硕士林宇轩表示:“这是一种全新的结构,可能会引发新的物理学。”

例如,铅笔里的石墨本质上是许多堆叠在一起的石墨烯层,它们的结合是如此之弱,以至于海姆和诺沃塞洛夫着名地使用胶带将它们剥离。然而,许多材料,如金、银和铜,并没有分层结构。不过,理论上它们可以形成二维层,这对于柔性和透明的电子产品来说必不可少。在可能的应用中,甚至有超薄电极,它将使神经接口具有解决医学问题的潜力,并最终将生物的神经系统与电子设备集成在一起。在任意表面沉积金属薄膜的唯一技术产生层还不够薄。它包括在高真空下热蒸发三维金属样品。

美研制出超薄芯片原型,或将翻开调节光的新型光学超材质。只有将电路蚀刻进材料中,才能证明芯片可规模化生产。为此,波普团队用标准蚀刻工具将斯坦福大学校标刻进芯片原型中,更有趣的是,他们还在美国总统大选期间,将两位候选人的纳米级头像刻进原子薄层芯片。

哈佛大学物理学教授菲利普·基姆认为:“最新研究证明,两种完全不同的二维材料可以被控制整合在一个层,得到一个横向异质结构,这令人印象深刻。”

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研究团队下一步将集中精力对新方法进行改进,以增强二硫化钼在集成芯片中的一致性,并最终规模化生产实用电路。“我们认为,可以做到将二硫化钼直接集成到硅基上,垂直构建出立体微芯片,取代传统平面结构的芯片。”波普说,“这种立体芯片和电路更适合用在三维节能建筑中。而且二硫化钼是一种透明、可弯曲材料,未来可将窗户变成电视,或将车顶挡风玻璃变成显示器。”

蒸发后的金属颗粒粘附在硅基基底上,形成纳米尺寸的岛屿,岛屿逐渐长大,最终闭合了之间的缝隙。只有当薄膜达到20纳米厚时,这个过程才会产生相对均匀的薄膜。工程师需要透明薄膜,这意味着他们需要超过两倍的厚度。提前停止沉积也不是一种选择,因为薄膜仍然有太多的间隙和不均匀性,影响了它们的电导率。同样,金属网与金属片相比是一种较差的导体。莫斯科物理与技术研究所的研究人员首先假设二维金属可以沉积在其他二维材料上。

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研究中使用的方法:金沉积在一单层二硫化钼是建立在一个硅底物的氧化层标记SiO?,vdW间隙”表示范德瓦尔斯间隙。图片:MIPT

石墨烯是第一个候选材料,但金对它的润湿性较差。结果,黄金以柱子的形式沉积下来。这种垂直的生长方式使胶片上的缝隙无法闭合。虽然石墨烯上的金沉积对于其他应用来说很有趣,比如表面增强拉曼光谱,但是用这种方法得到的亚10纳米薄膜不导电。研究小组继续研究了二维过渡金属双卤代烷的金属薄膜生长。具体来说,二硫化钼被使用,因为硫化合物是已知的极少数与金形成稳定键的化合物之一。该论文的主要作者之一尤里·斯特布诺夫(Yury Stebunov)说:我们有这个想法已经有一段时间了。

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然而,许多处理二维材料的技术仍在发展中。并不是所有的都可以广泛使用,这项研究需要大量的人力和物力资源。只有在总统项目下获得拨款,才能把我们的想法付诸实践。初期,研究人员使用在高真空热蒸发沉积薄黄金电影与二氧化硅和硅衬底上的单层二硫化钼。团队使用电子和原子力显微镜比较这些黄金的影片在不同厚度的结构类似的电影生长在纯硅,没有二硫化钼单分子层。添加的二维材料界面可以在厚度仅为3-4纳米的情况下形成导电性能优异的连续金膜。

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金不同厚度(表示在传统上沉积纳米)使用二氧化硅基质和二硫化钼单层。图片:The researchers

由于光子和光电器件是这种准二维金属薄膜的关键应用,物理学家们通过光谱椭圆偏振法研究了样品的光学性质,首次报道了超薄金薄膜的光学常数。该论文的资深作者,南丹麦大学的瓦伦丁·沃尔科夫教授,同时也是MIPT纳米光学和等离子体实验室的负责人说:任何研究人员都可以使用我们的数据来建模光子或光电设备,甚至是被称为超材料的人工材料。最终,我们提出的技术可以帮助设计这样的材料和设备。添加一层二硫化钼使薄而光滑的金属薄膜成为可能。该团队强调了技术的普遍适用性:

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单层膜可以沉积在任何性质的任意表面,从而产生超薄、超细的金属薄膜涂层。这种准二维金属层可以集成到多层三维结构中,其中包含各种二维材料。它们被称为范德瓦尔斯异质结构,可能具有不同的“成分”,包括半导体、介质、半金属,以及从现在开始的金属。该研究的合作者之一,MIPT光子学和二维材料中心主任Aleksey Arsenin说:预计这仅仅是准二维金属科学的开始。不久以前,这些材料甚至连科学家都无法获得。有了这样的新技术,就可以谈论它们对柔性和透明电子产品的前景。

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博科园|研究/来自:莫斯科物理科学与技术学院

参考期刊《先进材料界面》

DOI: 10.1002/admi.201900196

博科园|科学、科技、科研、科普

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