美国制造出高质量原子量级半导体薄膜
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- 分类：钼业新闻
- 发布于 2013年5月27日
- 作者：CCJ
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据海外媒体报道，美国北卡州立大学研究人员日前表示，他们开发出了制造高质量原子量级半导体薄膜（薄膜厚度仅为单原子直径）的新技术。其材料科学和工程助理教授曹林友表示，新技术能将现有半导体技术的规模缩小到原子量级，包括激光器、发光二极管和计算机芯片等。
据悉，研究人员研究的材料是硫化钼，它是一种价格低廉的半导体材料，电子和光学特性与目前半导体工业界所用的材料相似。然而，硫化钼又与其他半导体材料有所不同，因为它能以单原子分层生长形成单层薄膜，同时薄膜又不会失去原有的材料特性。
在新技术中，研究人员将硫粉和氯化钼粉放置于炉内，并将温度逐步升高到850摄氏度，此时两种粉末出现蒸发（汽化）并发生化学反应形成硫化钼。而继续保持高温，硫化钼能沉积到基片上，形成薄薄的硫化钼膜。
曹林友表示，他们成功的关键是寻找到了新的硫化钼生长机理，即自限制生长，并通过控制高温炉中分压和蒸汽压来精确地控制硫化钼层的厚度。据介绍，分压代表悬浮在空气中的原子或分子聚集成固体沉淀到基片上的趋势；蒸汽压代表基片上的固体原子或分子汽化进入空气的趋势。为在基片上获得单层硫化钼，分压必须高于蒸汽压；分压越高，沉积到底部的硫化钼层就越多。如果分压高于在基片上形成单层薄膜的蒸汽压，但又低于形成双层薄膜的蒸汽压，那么在分压和蒸汽压之间的这种平衡能确保在单层硫化钼薄膜形成后薄膜生长自动停止，不再向多层发展。这就是“薄膜的自限制生长”。
半导体发展潜力堪比石墨烯
众所周知，石墨烯在A股市场上不时掀起炒作狂潮，而石墨烯自身的发展，也早就不仅局限于概念的炒作。如今，分析人士表示，单层辉钼材料有望取代现有的矽和热门石墨烯，成为下一代半导体材料，其发展潜力不容小觑。
2011年瑞士联邦理工学院洛桑分校（EPFL）科学家制造出了全球第一个辉钼矿微晶片，据悉，辉钼是未来取代矽基芯片强力竞争者。领导该研究的安德拉斯·基什教授表示，辉钼是良好的下一代半导体材料，在制造超小型晶体管、发光二极管和太阳能电池方面具有很广阔的前景，而这次美国加州纳米技术研究院制成的辉钼基柔性微处理芯片，未来前景更加广阔。
同矽和石墨烯相比，辉钼的优势之一是体积更小，辉钼单分子层是二维的，而矽是一种三维材料。在一张0.65纳米厚的辉钼薄膜上，电子运动和在两纳米厚的矽薄膜上一样容易，而辉钼矿可以被加工到只有3个原子厚。
辉钼所具有的机械特性也使得它受到关注，并有可能成为一种用于弹性电子装置中的材料，可以用在制造可卷曲的电脑或是能够贴在皮肤上的装置，甚至可以植入人体。英国《自然．纳米技术》杂志就曾指出，单层的辉钼材料具备良好的半导体特性，其有些性能还超过现在广泛使用的矽和研究热门石墨烯，未来有望成为下一代半导体材料。
有分析指出，尽管石墨烯是最有可能在集成电路中替代Si的材料，但石墨烯并非自然状态的半导体材料，它必须经过特殊工艺处理来实现这一目标。辉钼材料（MoS2）则是真正的半导体材料，并且如石墨烯一样可以制成原子级厚度的集成电路，但它与金属导线之间的连接存在问题。3月份，瑞士联邦理工学院洛桑分校的研究人员实现了这一突破，他们发现可以利用氧化铪将一个非常小的金电极连接到Si衬底的辉钼材料上，这样形成的集成逻辑电路的厚度（0.65nm）比Si集成电路更小，而且比同等尺寸的石墨烯电路更便宜。
另据外媒报道，南洋理工材料科学与工程学院的研究人员则开发出了一款基于单层MoS2材料的光电晶体管，并对其电学性能进行了表征研究。研究人员采用了胶带机械剥离法在Si/SiO2衬底上沉积了单层MoS2材料；测量结果显示这层MoS2厚度为0.8nm。研究人员使用该材料制造了一个MoS2场效应管，其他部件还包括两个钛/金电极，以及300nm的Si上SiO2作为源极、漏极和背栅材料。
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