新材料2D磷烯性能有望超越石墨烯與硅材料

OFweek電子工程網訊 國際半導體技術藍圖(ITRS)持續尋找矽替代材料的行動備受全球矚目，業界期望能找到一種能以2D實現超高速的理想導電材料。石墨烯及其衍生版本碳奈米管(CNT)一直是最被看好的熱門技術，但黑磷在光子學應用上也已經展現優于石墨烯的性能。
　　最近，加拿大麥基爾大學(McGill University)與蒙特利爾大學(Universite de Montreal)的研究人員們宣稱，2D單層的黑磷——磷烯(phosphorene)，能夠展現優于石墨烯以及矽的純粹電路電子特性。
　　2D導電材料的優點在于能在室溫下實現趨近超導速度，加上極其適用于延伸ITRS開發藍圖——未來將需要原子級單層延續摩爾定律(Moore‘s Law)進展。遺憾的是，任何材料的原子單層都十分易碎，因而必須找到能夠沈積多層而且是2D形式的導電材料。
圖中的黑磷模型說明其原子單層的“可折疊蜂巢式”內部結構
　　“我們的研究顯示可以誘導電子在多個2D形式的黑磷原子層中移動，”麥基爾大學教授Thomas Szkopek解釋，“就純科學的理由來看，我們仍然不知道電子如何在有限的2D中移動的細節;而在技術方面，這是因為電子元件在電子受限于2D時所展現的功能更好。”
　　在室溫下，磷烯的電子遷移率已經被測定可達到矽(2700cm2??/Vs)的2倍，而在冷卻時(3900cm2/Vs)更高達將近3倍，預計在針對相容基板與電極最佳化后，還可達到更高的電子遷移率。其缺點是黑磷單層一直表現得不夠穩定，除非能夠隔離于正常大氣環境的保護之中。不過，麥基爾大學的研究人員們認為這并不算是太嚴重的問題，因為他們已經發現2D電子在黑磷中移動時甚至可穿透多層導電材料。
　　“大家都知道黑磷的穩定度不足，除非采取隔離于環境的預防保護措施。再者，黑磷單層越薄，就越不穩定。”Szkopek指出，“但根據我們的觀察，其實并不需要在黑磷單原子層看到2D的電子運動，這對于未來的黑磷元件開發具有重要的實質意義。”
　　為了證明這個觀點，研究人員們將黑磷制造成量子阱場效應電晶體(FET)裸晶，它能夠以超過100000的電流定值輕松地導通與斷開。即使這種材料采用多層制造，研究人員們也能利用磁致傳輸測量展現2D載體。此外，研究人員們還預測這種磷烯FET能夠以極低電壓作業，實現低功耗作業。
麥基爾大學與蒙特利爾大學的研究人員們攜手打造出量子阱場效電晶體裸晶
　　未來，研究人員將以最佳的磷烯層數與最佳介電質進行實驗，期望能制造出磷烯FET與最佳金屬觸點。除了最佳化，研究人員們并計劃研究如何在晶圓廠中大規模制造這種材料的方法。
　　麥基爾大學教授Guillaume Gervais、蒙特利爾大學教授Richard Martel也參與了這項研究。該研究中的磁場實驗是在佛羅里達州的國家高磁場實驗室進行;該實驗室由美國國家科學基金會(NSF)、佛羅里達州以及美國能源部(DoE)共同贊助支持。
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