随着硅基半导体技术接近其物理极限，美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的一个研究小组在使用创新二维材料开发下一代半导体方面取得了重大进展。这项突破性的研究作为实现更小、更强大的计算机芯片的重要一步而引起人们的关注。
未来的芯片材料是小型金属三明治
PPPL 研究团队专注于称为过渡金属二硫化物 (TMD) 的二维材料。该材料具有极薄的结构，令人惊讶的是只有三个原子厚，并且具有超越传统硅芯片的潜力。
研究小组组长 Shoaib Khalid 对目前的情况解释如下。 “芯片变得越来越小，我们在功能和尺寸方面几乎达到了极限。”事实上，预测半导体性能改进的摩尔定律正在达到极限。目前，尖端芯片的最小结构已达到约3 nm（纳米），与人类头发的宽度（约80,0003 nm）相比，这一尺寸非常突出。
该模型显示了硫族原子应该缺失的位置，以未受干扰的原子图案中心的黑色圆圈表示。 这个图是俯视TMD中间层的。 （图片来源：Shoaib Khalid、Bharat Medasani 和 Anderson Janotti / PPPL 和特拉华大学）
Khalid 表示，TMD 的结构就像一个“小金属三明治”。 “‘面包’部分是硫族元素，即氧、硫、硒或碲。‘填充’部分是过渡金属，元素周期表第3族至第12族的金属元素可以是这种独特的结构使 TMD 具有传统硅芯片所没有的特性。
研究小组正在关注所谓的“缺陷”，即 TMD 原子结构中发生的微小变化。尽管这些缺陷乍一看似乎不受欢迎，但它们实际上对材料的电性能有重大影响，并且可以产生有益的影响。
例如，研究表明，制造过程中氢的存在会产生过量的电子，从而赋予材料 n 型半导体特性。哈立德解释说： “根据缺陷的类型和性质，材料的特性会发生变化。例如，它可以产生额外的电子，使其成为 n 型，或者可以产生更多的空穴，使其成为 p 型。”
这一发现提出了一种在原子水平上制造 n 型和 p 型材料的新方法。在传统的硅半导体技术中，n型和p型特性是通过掺杂有意创造的，在该过程中有意添加少量杂质以改变晶体的物理性质。 TMD 的使用开启了更精确、更有效地控制半导体特性的可能性。
TMD的各种好处
与传统硅半导体相比，TMD 具有许多优势。哈立德列举了以下特征：
- 可调谐带隙：可以通过改变层数来控制电子特性。
- 超薄结构：即使单层也只有三个原子厚。
- 材料的多样性：可以通过各种元素的组合来创建。
- 灵活性和耐用性：即使在弯曲时也能保持功能。
由于这些特性，TMD有望应用于广泛的领域，包括下一代柔性电子设备和超紧凑传感器。
然而，TMD研究仍处于早期阶段，在投入实际应用之前还存在许多问题。例子包括建立大规模制造工艺并确保与现有硅基技术的兼容性。
但哈立德仍然保持乐观。 “最终目标是制造更智能、更便宜的芯片。”研究团队正在为这一目标不懈努力。他们的研究重点是阐明 TMD 缺陷的机制并开发控制它们的方法。
此外，研究团队还在考虑设计一种使用等离子体的TMD制造系统。预计这将使得根据应用创建具有精确规格的基于 TMD 的半导体成为可能。
论文
二维材料：硫族元素空位和氢在块体过渡金属二硫族化合物的光学和电学性质中的作用
- PPPL：检测未来技术的缺陷
- Tom's Hardware：开发下一代二维半导体的研究人员研究了过渡金属二硫属化物中潜在的硅替代
研究总结
与其他半导体一样，过渡金属二硫属化物 (TMD) 中的点缺陷预计会强烈影响其电子和光学性能。 然而，识别这种层状二维材料中的缺陷极其困难，尽管过去十年有大量文献，但结论仍存在争议。 我们使用第一性原理计算来重新审视硫族空位和氢杂质在块状 TMD 中的作用，并报告它们的形成能以及热力学和光学跃迁水平。我们表明，S 空位可以解释最近观察到的 MoS2 薄片的阴极发光光谱，并且我们预测其他 TMD 中的类似光学水平。在H杂质的情况下，我们发现它们稳定地存在于Mo平面的间隙位置并充当浅施主，这可以解释在一些TMD中经常观察到的n型导电性。 此外，还预测了H杂质的局部振动模式的频率，这对于拉曼光谱和红外光谱的识别很有用。
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