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石墨烯“表亲”硅烯晶体管首秀

时间: 2015年02月06日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
2月初,研究者揭示了第一块硅烯晶体管的相关细节,如果这种硅薄层结构能应用于电子设备的制造,可能会推动半导体工业实现终极的微型化。

七年前,硅烯还只是理论家的一个梦。在对石墨烯(单原子层厚度、蜂巢状的碳材料)的狂热兴趣的驱动下,研究者推测硅原子也许也能形成类似的层状结构。而如果这种硅薄层结构能应用于电子设备的制造,可能会推动半导体工业实现终极的微型化。

 

2月初,研究者揭示了第一块硅烯晶体管的相关细节,向实现梦想的方向迈出了关键一步。

 

参与晶体管制作的德州大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)纳米材料学家德吉•阿金万德(Deji Akinwande)说,虽然设备表现平庸,且寿命只有几分钟,但硅烯这一概念的验证已足以让与会人员精神大振。法国艾克斯•马赛大学(Aix-Marseille University)的材料学家居伊•勒莱(Guy Le Lay)对此表示赞同。

 

“没人会预料到,他们能在这么短的一段时间内,用尚未存在的材料做出晶体管。”他说。

 

勒莱是2012年首先在实验室条件下制备出硅烯的科学家之一。硅烯晶体管首次诞生的这段时间,刚好也是科学家渐渐意识到石墨烯无法适用于晶体管的时候。石墨烯也许是世界上导电性最强的物质,但在一个重要的特性上,有别于计算机芯片中常用的半导体材料,石墨烯没有带隙(band gap)。带隙是电子在携带电流前必须跨过的能级障碍,它使半导体材料可具有“开”、“关”两种状态,从而可用于二进制逻辑操作。

 

硅烯的崛起

 

一直以来,都是硅烯的碳基“表亲”石墨烯吸引着更多注意,但硅烯正迎头赶上。

 

 

1994 首次计算出硅和锗的二维晶体结构(硅结构如上图)

 

2004 安德烈•海姆(Andre Geim)和康斯坦丁•诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)完成石墨烯的分离

 

2007 创造术语“硅烯”

 

2009 硅烯纳米带的制造;硅烯和锗烯理论方面的文章进入爆发期

 

2010 海姆和诺沃肖洛夫因其在石墨烯方面的重要实验获得诺贝尔物理学奖

 

2012六篇独立研究报道了在银表面制备出的硅烯层

 

2015 首次硅烯晶体管展示

 

“就逻辑电路方面的应用而言,石墨烯没什么希望。”勒莱说。与之对比,硅烯中则可存在带隙,硅烯中有原子向上翘曲,形成褶皱,使其中一些电子的能态有轻微的不同。而且,芯片制造商很难为了新兴的碳材料元件而放弃数十年硅元件的生产经验,来自查尔斯顿南卡罗来纳军事学院(Citadel, the Military College of South Carolina)的理论物理学家Lok Lew Yan Voon解释道。是他最初命名了硅烯,并在2007年建立模型评估其性能。

 

然而,在实验室操作硅烯绝非易事。硅烯不能像石墨烯那样用不干胶从体块材料上剥离。作为代替方案,研究者只能在真空室内将热硅原子蒸汽沉积到银晶体表面来制造硅烯。这一过程十分复杂。同时,与稳定的石墨烯不同,不加封装的硅烯在空气中极不稳定,这又增加了将这种轻薄的层状材料转移到实用基底(比如晶体管内部)上的难度。直到去年,一些研究者仍在质疑硅烯究竟是否存在。

 

因此,阿金万德加入了位于意大利阿格拉泰布里亚恩扎的微电子和微系统研究所的团队,与亚历山德罗•默勒(Alessandro Molle)协力研究为硅烯提供保护的方法。他们在银的薄层上搭载硅烯片,再在其上覆盖5纳米厚的氧化铝层。然后他们从云母基上剥离三明治状的硅烯,使银朝上,放置在氧化硅基底上。最后,他们小心地蚀刻掉一部分银,留下两处银“岛”作为电极,其中有一段暴露的硅烯带。

 

勒莱说:“这是个非常机智的方法。”他计划对锗烯也应用这一过程。锗烯是去年由他的团队研发的锗构成的二维材料,性质也同样不稳定。

 

即使如此,硅烯晶体管也不会在短期内出现在移动电话中:暴露的硅烯在两分钟内就会降解。所幸这段时间对测量它的性质来说已经足够了。虽然导电性逊于石墨烯,但硅烯元件确实有一个较小的带隙。

 

对硅烯晶体管做额外的表面涂层处理也能延长其寿命。阿金万德曾利用特氟龙(Teflon)稳定了二维黑磷——另一种由磷制成的二维材料,也对空气敏感——使之成活数月。其他研究者通过牺牲多层硅烯结构的表层,来保护内部结构长达24小时。重要的是,有了制造硅烯晶体管的技术,我们就可以测试所有这些保存硅烯的方法是否有效;更进一步,还可以测试其他对空气敏感的材料。“这绝对是一项重大突破,”Lew Yan Voon说,“这是我们在这个领域期待已久的文章。”

 

并不是所有人对硅烯方向都有如此热情。来自瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)的亚里•基纳雷特(Jari Kinaret)说:“硅烯、锗烯和二维黑磷单晶的确有许多可讨论之处,但与之相关的困难仍相当艰巨。”基纳雷特也是欧盟石墨烯旗舰项目的负责人——这是一项拥有10亿欧元(约11亿美元)经费的项目,专门研究二维材料及其应用。

 

然而,勒莱确信研究者将会纷纷聚集到硅烯的课题上来。“现在元件已经制作出来了,”他说,“其他的科学家会明白硅烯并不是虚幻构想,而是一个实际可用的材料。”(作者:马克•佩普洛(Mark Peplow) 翻译:汪瑜晖 审校:丁家琦)

 

原文链接:http://www.nature.com/news/graphene-s-cousin-silicene-makes-transistor-debut-1.16839