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輝鉬有望成爲新一代半導體材料 但其産業化仍需時日

輝鉬基柔性微處理芯片最早由瑞士洛桑理工學院(EPFL)納米電子與結構實驗室提出,幷有望成爲下一代半導體材料, 輝鉬基柔性微處理芯片以MoS2爲基礎的微芯片只有同等矽基芯片的20% 大小,功耗極低。單層的輝鉬材料顯示出良好的半導體特性，又能用以製作出尺寸更小的晶體管,幷且這種新一代半導體材料具備能隙的特性也優于石墨烯。輝鉬製成的晶體管在待機情况下的功耗爲矽晶體管的十萬分之一，而且比同等尺寸的石墨烯電路更加廉價！而最大的變化是其電路有很强的柔性，極薄，可以附著在人體皮膚之上。

該實驗室所使用的方法早期曾用于石墨烯研究。研究員粉碎了折叠膠帶之間的輝鉬礦晶體,層層剝離,直到所有剩下都是單原子厚的薄片。然後, 將這些鉬片沉積在一種基質上,再增加一層絕緣材料,幷使用標準光刻添加源極和漏極和栅極,這樣就製成一個晶體管。輝鉬礦晶體管具有電氣流動性,類似的晶體 管是用石墨烯納米帶製成。

輝鉬礦是一種半導體,可以讓電子跳躍越過,這種屬性稱爲帶隙,可用于數字晶體管。石墨烯沒有帶隙,難以把它製成半導體,石墨烯前景在于超高速模擬電路、電信和雷達等。輝鉬礦的帶隙特別有望用于更高效的柔性太陽能電池、電子産品或高性能數字微處理器等。

輝鉬是鉬的二硫化物。瑞士洛桑聯邦高等理工學院的研究人員認爲,輝鉬在自然界中含量豐富,常用于冶煉合金等領域,但之前對它電學性能的研究却不多,而實際上單層輝鉬材料具有良好的半導體特性。與現在廣泛使用的矽材料相比,輝鉬具有兩個主要優點:一是達到同等效用的體積更小。只有0.65納米厚的輝鉬材料,電子在其中能像在2納米厚的矽材料中那樣自如移動,同時,現有技術還無法將矽材料製作得跟輝鉬材料一樣薄;二是能耗更低。據估計,輝鉬制 成的晶體管在待機狀態下消耗的能量只是矽晶體管的約十萬分之一。

不同于零能隙的石墨烯,輝鉬礦具備1.8電子伏特(electron-volts)的能隙,介于砷化鎵 (galliumarsenide,能隙1.4電子伏特)與氮化鎵(galliumnitride,能隙3.4電子伏特)之間,因此使用該種材料能製作出 同時具備電子與光學功能的芯片。輝鉬是性能良好的下一代半導體材料,在製造超小型晶體管、發光二極管和太陽能電池方面具有廣闊的前景,但是該技術目前仍處于實驗室階段,離産業化還有較遠的距離,未來如果該技術得以大規模應用,則能顯著改善全球鉬金屬的貢獻結構。目前全球鉬金屬的消費量約爲21萬噸,目前全球電子級與光伏級矽的年需求量約爲20萬噸,假設其中50%被替代,則鉬的消費將新增10.5萬噸/年,約占當前鉬消費量的50%,這將顯著改善鉬行業的全球供需結構。但目前來看,輝鉬在半導體材料的應用對鉬金屬的需求帶動有限。

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