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夢想材料硅烯走進現實

  中化新網訊  硅烯被認為在未來電子元器件中的應用會超過石墨烯。日前,由意大利和美國科研人員組成的團隊創建出了世界首個硅烯晶體管。該成果將加快硅烯實際應用進程。

  硅烯是一種由單個原子厚度的硅制成的材料,類似石墨烯,被證明具有超凡的導電性能,但制備過程極為困難。這種晶體管擁有巨大的潛力,對于計算機科學家來說,硅烯是一種比石墨烯更有趣的材料。7年前,硅烯還只是理論學家的一個夢想。受石墨烯熱的驅動,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品,硅烯膠片將會使半導體工業實現微型化的終極夢想。

  目前,該研究團隊計劃精煉制作工藝,以期在短期內制造出壽命更長的硅烯晶體管。其中還有很多的困難需要克服,因為硅烯在現實世界中使用時十分不穩定,但是科學家表示:“這是重大的突破,低溫制造技術和硅烯原件制造還是第一次。”研究人員相信,未來的電子元器件中硅烯的應用會比石墨烯更容易,畢竟絕大多數的芯片設計都是硅基的。

  美國得克薩斯州立大學納米材料研究人員、參與制作這個晶體管的Deji Akinwande說,盡管該設備的性能目前仍比較普通,使用壽命也僅能以分鐘來計,但這一理念的證實已經引起高度關注。法國馬賽第一大學材料科學家Guy Le Lay同意他的說法。“沒有人預料到會在如此短的時間內實現它,畢竟不能用一種全然不存在的材料制造晶體管。”他說。

  但在實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。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,這是一個非常復雜的過程。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疑硅烯究竟是否存在。

  隨著硅烯晶體管走進現實,對石墨烯不適宜用來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,但卻缺少一種關鍵特性。和計算機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的能量跨欄。帶隙可以讓半導體設備關閉,執行“合乎邏輯”的操作。

  相較而言,硅烯擁有帶隙。不過,這種晶體管仍不能在短期內應用于移動手機: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。如果在硅烯晶體管上加一層涂層可以延長其壽命。Akinwande曾用聚四氟乙烯幫助磷烯膠片“生存”了數月。

  然而,并非所有人都對硅烯的未來持樂觀態度。“現在,關于硅烯、鍺烯、磷烯的討論有很多。但是它們面臨的問題相當多。”瑞典查爾姆斯理工大學的Jari Kinaret 說,他同時是歐盟石墨烯旗艦項目的負責人。

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