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可耐受超高温的电子元件

时间: 2015年05月08日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
研究人员发现二硫化钼可用来制作适用于超高温环境下的电子器件和感应器中的薄片晶体管

 

许多工业领域要求电子器件能够在严酷的环境中稳定正常的工作, 包括200摄氏度以上的超高温环境。航空航天工业中的涡轮发动机,石油和天然气工业中钻井操作所需的电子器件和感应器都需要在超高温环境下工作。 尽管传统的冷却系统能够帮助电子器件在高温时正常工作,但在有些领域,冷却的方法并不适用—或者说为了系统工作的稳定性和成本的降低,人们更希望电子器材能在高温条件下工作。 但是,在高温下能正常工作的晶体管和电子线路却是极少的。

 

近日,来自美国加州大学河滨分校和伦斯勒理工学院的一组研究人员发现一种学名为二硫化钼(MoS2)的半导体材料有望用来制作高温条件下的薄片晶体管。在本周发表在美国物理联合会出版的《应用物理杂志》的一篇文章中,研究者们报道了二硫化钼薄片晶体管的制作过程及其在高温时的功能特性,展示了该材料可用于制作耐高温电子元件的潜力。

 

“我们的研究表明该薄片晶体管至少在500开尔文(220摄氏度)高温情况下依然能正常工作,”加州大学河滨分校电子工程系的教授和该研究组的领头人Alexander Balandin说。“并且该晶体管在两个月后仍展示出稳定的工作性能,这表明二硫化钼薄片晶体管有潜力被应用于耐高温的电子器件和感应器中。”

 

二硫化钼的原矿石是辉钼矿,这种矿石大量地存在于自然界中,通常是被用作润滑剂的添加成分。通过化学气相沉积的方法获得的二硫化钼可被用来制作柔韧的薄片晶体管--一种如水龙头一样可控制电子和电流的运动的元件。

 

据Balandin所说, 二硫化钼属于范得华材料家族,其结构特点是构成晶体结构的原子层之间的结合力很弱(这种结合力也被称为范得华力)。 层与层之间弱的相互作用使得材料可以被逐层的剥落,类似于石墨的单原子层可从整块的石墨上被剥离一样。 层状结构也表明高质量的超薄层可通过工业生产中的化学气相沉积的方法获得 。

 

“尽管传统宽能带的半导体如碳化硅或氮化镓制成的器件也可以延伸到高温条件下操作,但是这些材料因造价较高而不适用于工业大规模生产,”Balandin说。“单层二硫化钼的能带宽是1.9电子伏特,比碳化硅或氮化镓的还要大,更适用于工业生产。”宽能带意味者元件能够快速地开启和关闭,这是晶体管所需具备的一项非常重要的特性。

 

一种倍受关注的新材料

近年来,二硫化钼在仪器制造和应用方面引起了广泛关注,Balandin的团队首次研究了该材料在耐高温电子器材方面的应用潜力。

 

在高温实验中,Balandin的研究组在洁净实验室使用标准的平板印刷技术将二硫化钼晶体管制作在硅衬底上。有的晶体管只有几个原子层的厚度(如1-3层),有的则有多层的厚度(15-18层)。Balandin说,他们的实验表明,相对厚层的薄片更具有温度上的稳定性,并且随着温度的升高展现出更高的载流子迁移率 。

 

通过直流测量,即在系统中持续一段时间加载稳定的电流和电压,研究者们研究了温度从300开尔文上升到500开尔文时晶体管的电流电压特征曲线也即功能特性。

 

“载流子迁移率和阈值电压都会随着温度的升高而降低,”Balandin说。“载流子迁移率的降低会导致通过元件通道的电流降低,而阈值电压的降低则会造成电流的升高。因此,电流随着温度的升高具体表现如何则取决于载流子迁移率和阈值电压同时降低时相互作用的结果。”

 

研究者们观察到的另一个有趣的现象是在电流电压特征曲线中,当温度上升到450开尔文时,靠近零电压的位置有一个特性“结”。这种体现材料“记忆效应” 的特征结在石墨晶体管和电子玻璃中也曾被类似地观察到过,这一现象表明该材料有望用来制作耐高温感应器。

 

Balandin说, 在实际应用中,高温条件下的电子线路和感应器要求二硫化钼晶体管至少能连续工作一个月之久。研究组在两个月之后再次检测了二硫化钼晶体管的工作性能,发现它依然能实现稳定操作,且具有更高的阈值电压,更低的载流子迁移率,且迁移率对温度的依赖性也更弱。

 

研究者们下一步的计划是研究用工业中的化学气相沉积法制作的二硫化钼晶体管和电路在高温条件下的的工作性能。(美国物理联合会 张铮铮)

 

论文链接

http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/117/6/10.1063/1.4906496 

 

关于期刊

《应用物理杂志》是美国物理联合会(AIP)记载应用物理领域内重大实验和理论成果的具有国际影响力的杂志,详情参阅http://jap.aip.org

 

图片标题: 原子力显微镜下的二硫化钼薄片晶体管

图片来源: Alexander A. Balandin/加州大学河滨分校

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