用于超薄计算机芯片的新材料

氟化钙是一种结晶绝缘体，具有明确的表面。因此，它非常适合制造极小的晶体管。图片来源：维也纳科技大学

越来越小，越来越紧凑——这是计算机芯片在工业驱动下的发展方向。这就是为什么所谓的二维材料被认为是最大的希望：它们尽可能地薄，在极端情况下，它们仅由一层原子组成。这使得生产具有微小尺寸、高速和最佳效率的新型电子元件成为可能。

然而，有一个问题：电子元件总是由不止一种材料组成。二维材料只有与合适的材料系统(例如特殊的绝缘晶体)结合才能有效使用。如果不考虑这一点，二维材料应该提供的优势就无效了。来自维也纳工业大学(维也纳)电气工程学院的一个团队现在将这些发现发表在《自然通讯》杂志上。

到达原子尺度的终点

“当今的半导体行业主要基于硅和氧化硅，”维也纳工业大学微电子研究所的 Tibor Grasser 教授说。“这些材料具有非常好的电子特性。长期以来，这些材料的更薄层被用于小型化电子元件。这在很长一段时间内运作良好 - 但在某些时候我们达到了自然极限。”

当硅层只有几纳米厚，以至于它只由几个原子层组成时，材料的电子特性就会非常显着地恶化。“材料表面的行为与材料的主体不同——如果整个物体实际上只由表面组成，根本不再有主体，那么它可能具有完全不同的材料特性。”

因此，人们必须改用其他材料才能制造出超薄的电子元件。这就是所谓的 2-D 材料发挥作用的地方：它们将出色的电子特性与最小的厚度相结合。

薄层需要薄绝缘体

“然而，事实证明，这些二维材料只是故事的前半部分，”Tibor Grasser 说。“这些材料必须放置在合适的基板上，并且在其顶部还需要一个绝缘体层——而且这个绝缘体也必须非常薄且质量非常好，否则你从二维材料中一无所获.这就像在泥泞的地面上驾驶法拉利，想知道为什么不创造速度记录。”

因此，维也纳工业大学的一个团队围绕 Tibor Grasser 和 Yury Illarionov 分析了如何解决这个问题。“通常在工业中用作绝缘体的二氧化硅不适合这种情况，”Tibor Grasser 说。“它具有非常无序的表面和许多干扰二维材料电子特性的自由、不饱和键。”

最好寻找有序的结构：该团队已经在氟化物方面取得了出色的成果——一种特殊的晶体。带有氟化钙绝缘体的晶体管原型已经提供了令人信服的数据，其他材料仍在分析中。

“目前正在发现新的二维材料。这很好，但我们希望通过我们的结果表明，仅凭这一点是不够的，”Tibor Grasser 说。“这些新型半导体二维材料还必须与新型绝缘体相结合。只有这样，我们才能真正成功地生产出新一代高效且功能强大的微型电子元件。”

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