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| 科學(xué)家認為硅烯或將趕超石墨烯 實(shí)現后來(lái)居上 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-02-06 09:35:30 瀏覽次數： |
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 （中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）7年前，硅烯還只是理論學(xué)家的一個(gè)夢(mèng)想。受石墨烯——由僅是單原子厚度的按蜂窩狀晶格排列的碳原子構成的著(zhù)名材料——熱情的驅動(dòng)，研究人員推測，硅原子也可能形成類(lèi)似的表面。而且如果它們可以被用于制作電子產(chǎn)品，硅烯膠片將會(huì )使半導體工業(yè)實(shí)現微型化的終極夢(mèng)想。
美國得克薩斯州立大學(xué)納米材料研究人員、參與制作這個(gè)晶體管的Deji Akinwande說(shuō)，盡管該設備的性能目前仍比較普通，使用壽命也僅能以分鐘來(lái)計，這一理念的證實(shí)已經(jīng)引起軒然大波。法國馬賽第一大學(xué)材料科學(xué)家Guy Le Lay同意他的說(shuō)法。“沒(méi)有人預料到會(huì )在如此短的時(shí)間內實(shí)現它，畢竟不能用一種全然不存在的材料制造晶體管。”他說(shuō)。
Le Lay是首批自2012年開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗室硅烯研究的科學(xué)家之一。隨著(zhù)硅烯晶體管走進(jìn)現實(shí)，對石墨烯不適宜用來(lái)制作晶體管的認識也與日俱增。石墨烯或許是世界上導電性能最好的物質(zhì)，但卻缺少一種關(guān)鍵特性。和計算及芯片中使用的半導體不同，它缺乏帶隙——電子攜帶電流之前必須躍過(guò)的能量跨欄。帶隙可以讓半導體設備關(guān)閉，執行“合乎邏輯”的操作。
“對于邏輯應用來(lái)說(shuō)，石墨烯可以說(shuō)沒(méi)有一線(xiàn)希望。”Le Lay說(shuō)。相較而言，硅烯擁有帶隙，因為它的一些原子會(huì )向上扣形成波紋脊，讓其中一些電子處于能量略微不同的狀態(tài)。而且，電腦芯片生產(chǎn)商在放棄數十年硅晶體管生產(chǎn)經(jīng)驗而選擇碳晶體管方面一直十分謹慎，查爾斯頓南卡羅來(lái)納州軍事學(xué)院理論物理學(xué)家Lok Lew Yan Voon說(shuō)。他率先為硅烯命名，并在2007年就模擬了其屬性。
但在實(shí)驗室中處理硅烯一直存在巨大挑戰，這種材料不能像石墨烯那樣，形成塊狀石墨然后用膠帶從固體砌塊上剝下來(lái)。取而代之的是，研究人員通過(guò)讓硅原子熱蒸汽在真空室中濃縮到一塊透明的銀塊上來(lái)獲取它，這是一個(gè)非常復雜的過(guò)程。而且不像穩健的石墨烯，單獨的硅烯在空氣中極不穩定，很難把輕薄的表層鍍到更加有用的基底上——如晶體管的內壁。正因為如此，直到去年，一些研究人員還在質(zhì)疑硅烯究竟是否存在。
Akinwande加入了意大利微電子和微系統研究所Alessandro Molle的團隊，目標是給硅烯提供保護。他們在一層薄銀涂層上制作了一個(gè)硅烯膠板，并在上面添加了5納米厚的氧化鋁涂層。然后，他們把硅烯的夾心結構從云母基底上剝落，使含銀的一面朝上，并把它放在氧化硅基底上。最終，他們輕輕地蝕刻掉一些銀，留下兩個(gè)金屬“島嶼”作為電極，中間留下一條外露的硅烯帶連接兩個(gè)小島。
“這是一項非常巧妙的技術(shù)。”Le Lay說(shuō)，他打算嘗試用鍺烯—— 一種化學(xué)性質(zhì)非?；钴S的用鍺制成的相似“二維結構”材料——重復這一過(guò)程，他與團隊于去年發(fā)明了這種材料。
盡管技術(shù)十分巧妙，但是這種晶體管仍不能在短期內應用于移動(dòng)手機：因為外露的硅烯2分鐘左右就會(huì )退化。然而，這段時(shí)間已足以檢測其特性。盡管其電子運動(dòng)與石墨烯相比較慢，但該設備確實(shí)具備一個(gè)小帶隙。
如果在硅烯晶體管上加一層涂層也可以延長(cháng)其壽命。Akinwande曾用聚四氟乙烯幫助磷烯膠片——另一種由磷制成的活性二維材料——“生存”了數月。其他研究人員也表示，用多層硅烯可以在犧牲掉表層涂層的同時(shí)，保護下面的硅烯使用24小時(shí)。更關(guān)鍵的是，制作硅烯晶體管的技術(shù)可以通過(guò)各種方法去嘗試，而且還可以利用各種對空氣敏感的活性材料。“它絕對是游戲改變者。”Lew Yan Voon說(shuō)，“這是我們期待的文章。”
然而，并非所有人都對硅烯的未來(lái)持樂(lè )觀(guān)態(tài)度。“現在，關(guān)于硅烯、鍺烯、磷烯的討論有很多。”瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的Jari Kinaret 說(shuō)，他同時(shí)是歐盟石墨烯旗艦項目的負責人，這是一項斥資10億歐元研究二維材料及拓展相關(guān)應用的科研項目，“但是它們面臨的問(wèn)題相當多。”
盡管如此，Le Lay堅信，研究人員一定會(huì )向硅烯聚攏。“現在已經(jīng)研制出一種設備。”他說(shuō)，“其他科學(xué)家會(huì )認為，它已經(jīng)不再是想象中的材料，而是的的確確的現實(shí)。”
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