夢想材料“硅烯”走進現(xiàn)實 即將超越石墨烯

    鋰電世界  7年前，硅烯還只是理論學(xué)家的一個夢想。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(gòu)成的著名材料——熱情的驅(qū)動，研究人員推測，硅原子也可能形成類似的表面。而且如果它們可以被用于制作電子產(chǎn)品，硅烯膠片將會使半導(dǎo)體工業(yè)實現(xiàn)微型化的終極夢想。

　美國得克薩斯州立大學(xué)納米材料研究人員、參與制作這個晶體管的Deji Akinwande說，盡管該設(shè)備的性能目前仍比較普通，使用壽命也僅能以分鐘來計，這一理念的證實已經(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同意他的說法。“沒有人預(yù)料到會在如此短的時間內(nèi)實現(xiàn)它，畢竟不能用一種全然不存在的材料制造晶體管。”他說。

　Le Lay是首批自2012年開始進行實驗室硅烯研究的科學(xué)家之一。隨著硅烯晶體管走進現(xiàn)實，對石墨烯不適宜用來制作晶體管的認(rèn)識也與日俱增。石墨烯或許是世界上導(dǎo)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(dǎo)體不同，它缺乏帶隙——電子攜帶電流之前必須躍過的能量跨欄。帶隙可以讓半導(dǎo)體設(shè)備關(guān)閉，執(zhí)行“合乎邏輯”的操作。

　“對于邏輯應(yīng)用來說，石墨烯可以說沒有一線希望。”Le Lay說。相較而言，硅烯擁有帶隙，因為它的一些原子會向上扣形成波紋脊，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(shù)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(jǐn)慎，查爾斯頓南卡羅來納州軍事學(xué)院理論物理學(xué)家Lok Lew Yan Voon說。他率先為硅烯命名，并在2007年就模擬了其屬性。

　但在實驗室中處理硅烯一直存在巨大挑戰(zhàn)，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。取而代之的是，研究人員通過讓硅原子熱蒸汽在真空室中濃縮到一塊透明的銀塊上來獲取它，這是一個非常復(fù)雜的過程。而且不像穩(wěn)健的石墨烯，單獨的硅烯在空氣中極不穩(wěn)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(nèi)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(tǒng)研究所Alessandro Molle的團隊，目標(biāo)是給硅烯提供保護。他們在一層薄銀涂層上制作了一個硅烯膠板，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(jié)構(gòu)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，留下兩個金屬“島嶼”作為電極，中間留下一條外露的硅烯帶連接兩個小島。

　“這是一項非常巧妙的技術(shù)。”Le Lay說，他打算嘗試用鍺烯——一種化學(xué)性質(zhì)非常活躍的用鍺制成的相似“二維結(jié)構(gòu)”材料——重復(fù)這一過程，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(nèi)應(yīng)用于移動手機：因為外露的硅烯2分鐘左右就會退化。然而，這段時間已足以檢測其特性。盡管其電子運動與石墨烯相比較慢，但該設(shè)備確實具備一個小帶隙。

　如果在硅烯晶體管上加一層涂層也可以延長其壽命。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(shù)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，保護下面的硅烯使用24小時。更關(guān)鍵的是，制作硅烯晶體管的技術(shù)可以通過各種方法去嘗試，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，“這是我們期待的文章。”

　然而，并非所有人都對硅烯的未來持樂觀態(tài)度。“現(xiàn)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，他同時是歐盟石墨烯旗艦項目的負(fù)責(zé)人，這是一項斥資10億歐元研究二維材料及拓展相關(guān)應(yīng)用的科研項目，“但是它們面臨的問題相當(dāng)多。”

　盡管如此，Le Lay堅信，研究人員一定會向硅烯聚攏。“現(xiàn)在已經(jīng)研制出一種設(shè)備。”他說，“其他科學(xué)家會認(rèn)為，它已經(jīng)不再是想象中的材料，而是的的確確的現(xiàn)實。”