誰將取代“矽電晶體”而加冕為王？

在1月22日發表在“ 自然物理 ”雜誌上的一項研究中，美國伯克利國家實驗室高級光源（ALS）的下一代X射線實驗平臺“MAESTRO”在對二維半導體材料的研究中發現，納米單層二硫化鎢的性質具有高度可調性，其可用於電子和其他形式的資訊存儲，處理和轉移，未來也將有望應用於製造電晶體，取代矽電晶體而加冕新材料之王。

“MAESTRO”X射线实验平台“

電晶體是什麼？現代電子設備例如電腦、智慧手機、智慧硬體等等，都離不開電晶體。在積體電路技術出現後，大量的電晶體可以被封裝在一片指甲蓋大小的晶片內。電晶體是現代微電子材料的基礎。例如電腦和智慧手機的中央處理器CPU，記憶體晶片等。

著名的摩爾定律曾經指出：當價格不變時，積體電路上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。雖然電晶體的尺寸在不斷縮小，從28納米到22納米，16納米，11納米等，如今最先進的晶片上容納的電晶體數已經達到幾十億、甚至上百億。即便如此，現在的電晶體的性能也很難有更多的提升。

眾所周知，傳統的電晶體主要都是由矽材料製成的。對於矽基電晶體來說，7納米堪稱物理極限。一旦電晶體的尺寸低於這個數位，矽電晶體中的電子就很容易產生隧穿效應，電晶體將變得不再可靠，晶片的製造面臨巨大的挑戰。

為了解決這個問題，產業界和科學界的有識之士們開始尋找新的材料，這些材料的目標就是取代矽，生產出尺寸更小、性能更佳的電晶體。而新興學科“自旋電子學”就有望破解這一難題。

電子的兩個關鍵屬性：電荷與自旋。電荷屬性是現代電腦晶片材料構造的基礎，而自旋這一屬性在近年來才被引起重視，二維材料具有電子的自旋和磁矩，使得固體器件中除電荷輸運外，還加入電子的自旋和磁矩。這些應用可能包括從自旋電子學，激子電子學和穀底電子學等新興領域衍生而來的次世代器件。在這些領域，研究人員試圖操縱物質的電子和對應的粒子的動量和能量等性質，以更有效地攜帶和存儲資訊 - 類似于傳統電腦記憶體中的零和零點的翻轉。

伯克利實驗室的科學家使用MAESTRO（X射線實驗平臺）測量的信號揭示了與材料的電子結構相關的兩個能級或“帶”之間的明顯增加的分裂。這種分裂的增加預示著其在自旋電子器件中的潛在用途。

已經知道石墨烯是目前最炙手可熱的二維材料明星，美國已經發展出了石墨烯1nm工藝，石墨烯中的電子比矽材料中的電子遷移率高出數十倍甚至上百倍，這有利於進一步提高CPU運算速率。但是石墨烯屬於零帶隙材料，難以將電子訊號轉化成光，用石墨烯做成的電晶體無法關斷，也因此，石墨烯必須更複雜和麻煩的改性或複合。而二硫化鎢WS ₂則沒有這樣的“硬傷”，它可以與光線強烈地相互作用，其之前已知的特性加上新的發現，使二硫化鎢成為光電子學領域的一個有希望的候選者，其中電子器件可用於控制光的釋放，反之亦然。

MAESTRO的實驗台可以處理非常小的樣品尺寸，數十微米的數量級，這也是研究二硫化鎢和其他二維材料的關鍵。研究人員在MAESTRO光束線上使用了一種ARPES（角分辨光電子能譜）方法，用X射線從樣品中剔除電子，並從彈射出的電子的方向和能量中瞭解樣品的電子結構。該技術可以解決材料中的電子如何相互作用。除了MAESTRO的精確測量之外，仔細製備尺寸足夠大的鎢粉以及研究它們轉移到基材，不妨礙其電子性質或妨礙X射線測量也是至關重要的。

伯克利實驗的科學家Chris Jozwiak表示：“發現二硫化鎢的自旋特性在技術上可能是非常令人興奮的。最新的研究原則上顯示了在器件中應用電場來改變這些關鍵特性的能力。

他補充說：“這項研究實現了兩個關鍵的突破：它在測量二維材料固有性質時如何去除外部效應提供了一個清晰的基本理解，並且允許我們通過簡單地修改其環境來調整二硫化鎢的性質”。

助理教授SørenUlstrup曾在WS₂  MAESTRO實驗中擔任過博士後研究員，他認為：“看到WS₂樣本的固有電子性質是重要的一步，但也許是這項研究的最大驚喜，

為了更好地理解二維材料的基本特性，科學家們正在努力推動MAESTRO的功能，研究更小的特徵，在解決材料的越來越小的納米級，目前自旋電子學已知的應用包括：硬碟磁頭、磁性隨機記憶體、自旋場發射電晶體、自旋發光二極體等等，自旋電子器件相比于傳統微電子器件，具有存儲密度高、能耗低、回應快等多種優點。

勞倫斯伯克利國家實驗室通過推進可持續能源，保護人類健康，創造新材料，揭示宇宙的起源和命運，解決世界上最緊迫的科學挑戰。伯克利實驗室成立於1931年，擁有13項諾貝爾獎的科學專長。