鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1670次 | 2018年06月18日
科學(xué)家預(yù)言硅烯的應(yīng)用將掀起新一輪的電子設(shè)備革命
自石墨烯被制備并于2010年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)以來(lái),全世界對(duì)二維層狀材料的關(guān)注持續(xù)升溫。其中,可用于下一代高性能晶體管的二維材料備受關(guān)注。然而,目前已知的絕大多數(shù)二維材料并不合適作為下一代高性能晶體管材料。例如,石墨烯盡管具有很高的電子傳輸速度,其獨(dú)特的零帶隙電子結(jié)構(gòu)限制了通過(guò)外加電壓實(shí)現(xiàn)電流開(kāi)關(guān)功能(即無(wú)法實(shí)現(xiàn)晶體管所需的邏輯運(yùn)算功能)。此外,石墨烯作為碳材料,難以和現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體工業(yè)相結(jié)合。
硅烯是由硅原子組成的、類似于石墨烯的單層原子晶體。硅烯除了具有和石墨烯一樣超高電子傳輸速率、極薄以及透明柔軟特性之外,其能隙更易于打開(kāi)和調(diào)控。最重要的是,作為硅材料,硅烯器件有可能利用現(xiàn)有的成熟硅基半導(dǎo)體工業(yè)手段生產(chǎn)。因此,科學(xué)家預(yù)言硅烯是最合適制作下一代高性能低能耗晶體管的理想材料之一。它的應(yīng)用將掀起新一輪的電子設(shè)備革命。
盡管上世紀(jì)90年代就有理論計(jì)算預(yù)測(cè)了硅烯的可能存在,直到2012年科學(xué)家才在實(shí)驗(yàn)室中采用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)在金屬基底上成功制備出硅烯,并于2014年實(shí)現(xiàn)了硅烯的場(chǎng)效應(yīng)晶體管原型器件。然而,硅烯在由實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化應(yīng)用的道路上依然面臨著很多的技術(shù)困難。其中最大的挑戰(zhàn)在于:如何將硅烯從金屬基底上剝離,進(jìn)行后續(xù)的器件加工。這個(gè)難題從硅烯發(fā)現(xiàn)之初就一直困擾著材料學(xué)界,成為硅烯器件研發(fā)的主要瓶頸。甚至有人斷言由于難度太大,硅烯將永遠(yuǎn)停留在基礎(chǔ)研究階段而無(wú)法真正走入應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
2014年起,由中國(guó)和澳大利亞多個(gè)課題組組成的一個(gè)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì),對(duì)這一世界難題展開(kāi)技術(shù)攻關(guān)。該團(tuán)隊(duì)由澳大利亞伍倫貢大學(xué)杜軼課題組、大連理工大學(xué)趙紀(jì)軍課題組、中科院物理所吳克輝課題組、中科院高能物理所王嘉鷗課題組所組成。結(jié)合各個(gè)課題組在對(duì)硅烯的制備、化學(xué)穩(wěn)定性、界面物理化學(xué)、理論計(jì)算模擬的前期研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn),中澳聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出了利用活性氣體分子做為“手術(shù)刀”將外延生長(zhǎng)的硅烯從金屬基底上剪切下來(lái)的實(shí)驗(yàn)方案,并最終確定利用氧分子做為“化學(xué)剪刀”插入了外延的硅烯和金屬基底之間,成功將硅烯從金屬基底上剝離。在掃描隧道顯微鏡、原位拉曼光譜和角分辨光電子能譜等先進(jìn)設(shè)備的幫助下,中澳聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)首次得到了準(zhǔn)自由硅烯單層的原子結(jié)構(gòu)像、電子能帶結(jié)構(gòu)以及聲子特征譜等一系列極其重要的信息,并通過(guò)理論計(jì)算還原了氧分子剪裁剝離硅烯的整個(gè)過(guò)程。這一突破,為未來(lái)硅烯器件的研發(fā)提供了重要的科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)成果近期發(fā)表于美國(guó)《科學(xué)》雜志的子刊《科學(xué)進(jìn)展》(ScienceAdvances)(論文鏈接:http://advances.sciencemag.org/content/2/7/e1600067)。成果發(fā)表后,引起國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)注,Phys.Org,IEEESpectrum,Nanowerk等國(guó)際科技媒體網(wǎng)站以“科學(xué)家用氧剪刀制備懸浮硅原子單層”、“硅烯制備的突破”“剝離硅層用于新電子學(xué)”等為題,紛紛進(jìn)行報(bào)道。
我校趙紀(jì)軍教授課題組自2012年起開(kāi)展硅烯研究,在硅烯的生長(zhǎng)行為、與襯底相互作用機(jī)制、氧化、堿金屬插層和能帶調(diào)控等方面發(fā)表了多篇有影響力的論文。其中關(guān)于銀襯底鈍化作用促進(jìn)和保護(hù)硅烯生長(zhǎng)的理論預(yù)言,被2015年發(fā)表在NatureNanotechnology上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最近,趙紀(jì)軍課題組與杜軼課題組合作,系統(tǒng)研究了金屬襯底上硅烯不同超結(jié)構(gòu)的點(diǎn)缺陷,并解釋了不同硅烯超結(jié)構(gòu)缺陷密度的起因,論文發(fā)表于二維材料領(lǐng)域重要刊物2DMaterials(影響因子:9.661)。
今年趙紀(jì)軍教授還與中科院物理所吳克輝研究員、北京理工大學(xué)姚裕貴教授、北京大學(xué)呂勁副教授等合作,在國(guó)際材料科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《ProgressinMaterialsScience》(影響因子:31.083)上發(fā)表了題為“RiseofSilicene:aCompetitive2DMaterial”的長(zhǎng)篇綜述論文
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