谁将取代“硅晶体管”而加冕为王？

在1月22日发表在“ 自然物理 ”杂志上的一项研究中，美国伯克利国家实验室高级光源（ALS）的下一代X射线实验平台“MAESTRO”在对二维半导体材料的研究中发现，纳米单层二硫化钨的性质具有高度可调性，其可用于电子和其他形式的信息存储，处理和转移，未来也将有望应用于制造晶体管，取代硅晶体管而加冕新材料之王。

“MAESTRO”X射线实验平台“

晶体管是什么？现代电子设备例如电脑、智能手机、智能硬件等等，都离不开晶体管。在集成电路技术出现后，大量的晶体管可以被封装在一片指甲盖大小的芯片内。晶体管是现代微电子材料的基础。例如计算机和智能手机的中央处理器CPU，内存芯片等。

著名的摩尔定律曾经指出：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。虽然晶体管的尺寸在不断缩小，从28纳米到22纳米，16纳米，11纳米等，如今最先进的芯片上容纳的晶体管数已经达到几十亿、甚至上百亿。即便如此，现在的晶体管的性能也很难有更多的提升。

众所周知，传统的晶体管主要都是由硅材料制成的。对于硅基晶体管来说，7纳米堪称物理极限。一旦晶体管的尺寸低于这个数字，硅晶体管中的电子就很容易产生隧穿效应，晶体管将变得不再可靠，芯片的制造面临巨大的挑战。

为了解决这个问题，产业界和科学界的有识之士们开始寻找新的材料，这些材料的目标就是取代硅，生产出尺寸更小、性能更佳的晶体管。而新兴学科“自旋电子学”就有望破解这一难题。

电子的两个关键属性：电荷与自旋。电荷属性是现代计算机芯片材料构造的基础，而自旋这一属性在近年来才被引起重视，二维材料具有电子的自旋和磁矩，使得固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩。这些应用可能包括从自旋电子学，激子电子学和谷底电子学等新兴领域衍生而来的次世代器件。在这些领域，研究人员试图操纵物质的电子和对应的粒子的动量和能量等性质，以更有效地携带和存储信息 - 类似于传统计算机存储器中的零和零点的翻转。

伯克利实验室的科学家使用MAESTRO（X射线实验平台）测量的信号揭示了与材料的电子结构相关的两个能级或“带”之间的明显增加的分裂。这种分裂的增加预示着其在自旋电子器件中的潜在用途。

已经知道石墨烯是目前最炙手可热的二维材料明星，美国已经发展出了石墨烯1nm工艺，石墨烯中的电子比硅材料中的电子迁移率高出数十倍甚至上百倍，这有利于进一步提高CPU运算速率。但是石墨烯属于零带隙材料，难以将电子讯号转化成光，用石墨烯做成的晶体管无法关断，也因此，石墨烯必须更复杂和麻烦的改性或复合。而二硫化钨WS ₂则没有这样的“硬伤”，它可以与光线强烈地相互作用，其之前已知的特性加上新的发现，使二硫化钨成为光电子学领域的一个有希望的候选者，其中电子器件可用于控制光的释放，反之亦然。

MAESTRO的实验台可以处理非常小的样品尺寸，数十微米的数量级，这也是研究二硫化钨和其他二维材料的关键。研究人员在MAESTRO光束线上使用了一种ARPES（角分辨光电子能谱）方法，用X射线从样品中剔除电子，并从弹射出的电子的方向和能量中了解样品的电子结构。该技术可以解决材料中的电子如何相互作用。除了MAESTRO的精确测量之外，仔细制备尺寸足够大的钨粉以及研究它们转移到基材，不妨碍其电子性质或妨碍X射线测量也是至关重要的。

伯克利实验的科学家Chris Jozwiak表示：“发现二硫化钨的自旋特性在技术上可能是非常令人兴奋的。最新的研究原则上显示了在器件中应用电场来改变这些关键特性的能力。

他补充说：“这项研究实现了两个关键的突破：它在测量二维材料固有性质时如何去除外部效应提供了一个清晰的基本理解，并且允许我们通过简单地修改其环境来调整二硫化钨的性质”。

助理教授SørenUlstrup曾在WS₂  MAESTRO实验中担任过博士后研究员，他认为：“看到WS₂样本的固有电子性质是重要的一步，但也许是这项研究的最大惊喜，

为了更好地理解二维材料的基本特性，科学家们正在努力推动MAESTRO的功能，研究更小的特征，在解决材料的越来越小的纳米级，目前自旋电子学已知的应用包括：硬盘磁头、磁性随机内存、自旋场发射晶体管、自旋发光二极管等等，自旋电子器件相比于传统微电子器件，具有存储密度高、能耗低、响应快等多种优点。

劳伦斯伯克利国家实验室通过推进可持续能源，保护人类健康，创造新材料，揭示宇宙的起源和命运，解决世界上最紧迫的科学挑战。伯克利实验室成立于1931年，拥有13项诺贝尔奖的科学专长。（中钨在线：伟平）

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