中國粉體網(wǎng)訊 硅烯(英語：Silicene)是一種類似于石墨烯的硅單質(zhì)。盡管理論研究者推測(cè)存在這種物質(zhì)并猜測(cè)了它的性質(zhì)，研究者在十多年之后的2010年才觀測(cè)到了具有這種結(jié)構(gòu)的硅單質(zhì)。
研究者揭示了第一塊硅烯晶體管的相關(guān)細(xì)節(jié)，如果這種硅薄層結(jié)構(gòu)能應(yīng)用于電子設(shè)備的制造，可能會(huì)推動(dòng)半導(dǎo)體工業(yè)實(shí)現(xiàn)終極的微型化。
七年前，硅烯還只是理論家的一個(gè)夢(mèng)。在對(duì)石墨烯(單原子層厚度、蜂巢狀的碳材料)的狂熱興趣的驅(qū)動(dòng)下，研究者推測(cè)硅原子也許也能形成類似的層狀結(jié)構(gòu)。而如果這種硅薄層結(jié)構(gòu)能應(yīng)用于電子設(shè)備的制造，可能會(huì)推動(dòng)半導(dǎo)體工業(yè)實(shí)現(xiàn)終極的微型化。
2月初，研究者揭示了第一塊硅烯晶體管的相關(guān)細(xì)節(jié)，向?qū)崿F(xiàn)夢(mèng)想的方向邁出了關(guān)鍵一步。
參與晶體管制作的德州大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)納米材料學(xué)家德吉•阿金萬德(Deji Akinwande)說，雖然設(shè)備表現(xiàn)平庸，且壽命只有幾分鐘，但硅烯這一概念的驗(yàn)證已足以讓與會(huì)人員精神大振。法國艾克斯•馬賽大學(xué)(Aix-Marseille University)的材料學(xué)家居伊•勒萊(Guy Le Lay)對(duì)此表示贊同。
“沒人會(huì)預(yù)料到，他們能在這么短的一段時(shí)間內(nèi)，用尚未存在的材料做出晶體管�！彼f。
勒萊是2012年首先在實(shí)驗(yàn)室條件下制備出硅烯的科學(xué)家之一。硅烯晶體管首次誕生的這段時(shí)間，剛好也是科學(xué)家漸漸意識(shí)到石墨烯無法適用于晶體管的時(shí)候。石墨烯也許是世界上導(dǎo)電性最強(qiáng)的物質(zhì)，但在一個(gè)重要的特性上，有別于計(jì)算機(jī)芯片中常用的半導(dǎo)體材料，石墨烯沒有帶隙(band gap)。帶隙是電子在攜帶電流前必須跨過的能級(jí)障礙，它使半導(dǎo)體材料可具有“開”、“關(guān)”兩種狀態(tài)，從而可用于二進(jìn)制邏輯操作。
硅烯的崛起
一直以來，都是硅烯的碳基“表親”石墨烯吸引著更多注意，但硅烯正迎頭趕上。
1994 首次計(jì)算出硅和鍺的二維晶體結(jié)構(gòu)(
2004 安德烈•海姆(Andre Geim)和康斯坦丁•諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)完成石墨烯的分離
2007 創(chuàng)造術(shù)語“硅烯”
2009 硅烯納米帶的制造;硅烯和鍺烯理論方面的文章進(jìn)入爆發(fā)期
2010 海姆和諾沃肖洛夫因其在石墨烯方面的重要實(shí)驗(yàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
2012六篇獨(dú)立研究報(bào)道了在銀表面制備出的硅烯層
2015 首次硅烯晶體管展示
“就邏輯電路方面的應(yīng)用而言，石墨烯沒什么希望。”勒萊說。與之對(duì)比，硅烯中則可存在帶隙，硅烯中有原子向上翹曲，形成褶皺，使其中一些電子的能態(tài)有輕微的不同。而且，芯片制造商很難為了新興的碳材料元件而放棄數(shù)十年硅元件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，來自查爾斯頓南卡羅來納軍事學(xué)院(Citadel, the Military College of South Carolina)的理論物理學(xué)家Lok Lew Yan Voon解釋道。是他最初命名了硅烯，并在2007年建立模型評(píng)估其性能。
然而，在實(shí)驗(yàn)室操作硅烯絕非易事。硅烯不能像石墨烯那樣用不干膠從體塊材料上剝離。作為代替方案，研究者只能在真空室內(nèi)將熱硅原子蒸汽沉積到銀晶體表面來制造硅烯。這一過程十分復(fù)雜。同時(shí)，與穩(wěn)定的石墨烯不同，不加封裝的硅烯在空氣中極不穩(wěn)定，這又增加了將這種輕薄的層狀材料轉(zhuǎn)移到實(shí)用基底(比如晶體管內(nèi)部)上的難度。直到去年，一些研究者仍在質(zhì)疑硅烯究竟是否存在。
因此，阿金萬德加入了位于意大利阿格拉泰布里亞恩扎的微電子和微系統(tǒng)研究所的團(tuán)隊(duì)，與亞歷山德羅•默勒(Alessandro Molle)協(xié)力研究為硅烯提供保護(hù)的方法。他們?cè)阢y的薄層上搭載硅烯片，再在其上覆蓋5納米厚的氧化鋁層。然后他們從云母基上剝離三明治狀的硅烯，使銀朝上，放置在氧化硅基底上。最后，他們小心地蝕刻掉一部分銀，留下兩處銀“島”作為電極，其中有一段暴露的硅烯帶。
勒萊說：“這是個(gè)非常機(jī)智的方法�！彼�(jì)劃對(duì)鍺烯也應(yīng)用這一過程。鍺烯是去年由他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的鍺構(gòu)成的二維材料，性質(zhì)也同樣不穩(wěn)定。
即使如此，硅烯晶體管也不會(huì)在短期內(nèi)出現(xiàn)在移動(dòng)電話中：暴露的硅烯在兩分鐘內(nèi)就會(huì)降解。所幸這段時(shí)間對(duì)測(cè)量它的性質(zhì)來說已經(jīng)足夠了。雖然導(dǎo)電性遜于石墨烯，但硅烯元件確實(shí)有一個(gè)較小的帶隙。
對(duì)硅烯晶體管做額外的表面涂層處理也能延長其壽命。阿金萬德曾利用特氟龍(Teflon)穩(wěn)定了二維黑磷——另一種由磷制成的二維材料，也對(duì)空氣敏感——使之成活數(shù)月。其他研究者通過犧牲多層硅烯結(jié)構(gòu)的表層，來保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)長達(dá)24小時(shí)。重要的是，有了制造硅烯晶體管的技術(shù)，我們就可以測(cè)試所有這些保存硅烯的方法是否有效;更進(jìn)一步，還可以測(cè)試其他對(duì)空氣敏感的材料�！斑@絕對(duì)是一項(xiàng)重大突破，”Lew Yan Voon說，“這是我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域期待已久的文章�！�
并不是所有人對(duì)硅烯方向都有如此熱情。來自瑞典哥德堡查爾姆斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)的亞里•基納雷特(Jari Kinaret)說：“硅烯、鍺烯和二維黑磷單晶的確有許多可討論之處，但與之相關(guān)的困難仍相當(dāng)艱巨�！被{雷特也是歐盟石墨烯旗艦項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人——這是一項(xiàng)擁有10億歐元(約11億美元)經(jīng)費(fèi)的項(xiàng)目，專門研究二維材料及其應(yīng)用。
然而，勒萊確信研究者將會(huì)紛紛聚集到硅烯的課題上來�！艾F(xiàn)在元件已經(jīng)制作出來了，”他說，“其他的科學(xué)家會(huì)明白硅烯并不是虛幻構(gòu)想，而是一個(gè)實(shí)際可用的材料�！�
研究者揭示了第一塊硅烯晶體管的相關(guān)細(xì)節(jié)，如果這種硅薄層結(jié)構(gòu)能應(yīng)用于電子設(shè)備的制造，可能會(huì)推動(dòng)半導(dǎo)體工業(yè)實(shí)現(xiàn)終極的微型化。
七年前，硅烯還只是理論家的一個(gè)夢(mèng)。在對(duì)石墨烯(單原子層厚度、蜂巢狀的碳材料)的狂熱興趣的驅(qū)動(dòng)下，研究者推測(cè)硅原子也許也能形成類似的層狀結(jié)構(gòu)。而如果這種硅薄層結(jié)構(gòu)能應(yīng)用于電子設(shè)備的制造，可能會(huì)推動(dòng)半導(dǎo)體工業(yè)實(shí)現(xiàn)終極的微型化。
2月初，研究者揭示了第一塊硅烯晶體管的相關(guān)細(xì)節(jié)，向?qū)崿F(xiàn)夢(mèng)想的方向邁出了關(guān)鍵一步。
參與晶體管制作的德州大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)納米材料學(xué)家德吉•阿金萬德(Deji Akinwande)說，雖然設(shè)備表現(xiàn)平庸，且壽命只有幾分鐘，但硅烯這一概念的驗(yàn)證已足以讓與會(huì)人員精神大振。法國艾克斯•馬賽大學(xué)(Aix-Marseille University)的材料學(xué)家居伊•勒萊(Guy Le Lay)對(duì)此表示贊同。
“沒人會(huì)預(yù)料到，他們能在這么短的一段時(shí)間內(nèi)，用尚未存在的材料做出晶體管�！彼f。
勒萊是2012年首先在實(shí)驗(yàn)室條件下制備出硅烯的科學(xué)家之一。硅烯晶體管首次誕生的這段時(shí)間，剛好也是科學(xué)家漸漸意識(shí)到石墨烯無法適用于晶體管的時(shí)候。石墨烯也許是世界上導(dǎo)電性最強(qiáng)的物質(zhì)，但在一個(gè)重要的特性上，有別于計(jì)算機(jī)芯片中常用的半導(dǎo)體材料，石墨烯沒有帶隙(band gap)。帶隙是電子在攜帶電流前必須跨過的能級(jí)障礙，它使半導(dǎo)體材料可具有“開”、“關(guān)”兩種狀態(tài)，從而可用于二進(jìn)制邏輯操作。
硅烯的崛起
一直以來，都是硅烯的碳基“表親”石墨烯吸引著更多注意，但硅烯正迎頭趕上。
1994 首次計(jì)算出硅和鍺的二維晶體結(jié)構(gòu)(
2004 安德烈•海姆(Andre Geim)和康斯坦丁•諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)完成石墨烯的分離
2007 創(chuàng)造術(shù)語“硅烯”
2009 硅烯納米帶的制造;硅烯和鍺烯理論方面的文章進(jìn)入爆發(fā)期
2010 海姆和諾沃肖洛夫因其在石墨烯方面的重要實(shí)驗(yàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
2012六篇獨(dú)立研究報(bào)道了在銀表面制備出的硅烯層
2015 首次硅烯晶體管展示
“就邏輯電路方面的應(yīng)用而言，石墨烯沒什么希望。”勒萊說。與之對(duì)比，硅烯中則可存在帶隙，硅烯中有原子向上翹曲，形成褶皺，使其中一些電子的能態(tài)有輕微的不同。而且，芯片制造商很難為了新興的碳材料元件而放棄數(shù)十年硅元件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，來自查爾斯頓南卡羅來納軍事學(xué)院(Citadel, the Military College of South Carolina)的理論物理學(xué)家Lok Lew Yan Voon解釋道。是他最初命名了硅烯，并在2007年建立模型評(píng)估其性能。
然而，在實(shí)驗(yàn)室操作硅烯絕非易事。硅烯不能像石墨烯那樣用不干膠從體塊材料上剝離。作為代替方案，研究者只能在真空室內(nèi)將熱硅原子蒸汽沉積到銀晶體表面來制造硅烯。這一過程十分復(fù)雜。同時(shí)，與穩(wěn)定的石墨烯不同，不加封裝的硅烯在空氣中極不穩(wěn)定，這又增加了將這種輕薄的層狀材料轉(zhuǎn)移到實(shí)用基底(比如晶體管內(nèi)部)上的難度。直到去年，一些研究者仍在質(zhì)疑硅烯究竟是否存在。
因此，阿金萬德加入了位于意大利阿格拉泰布里亞恩扎的微電子和微系統(tǒng)研究所的團(tuán)隊(duì)，與亞歷山德羅•默勒(Alessandro Molle)協(xié)力研究為硅烯提供保護(hù)的方法。他們?cè)阢y的薄層上搭載硅烯片，再在其上覆蓋5納米厚的氧化鋁層。然后他們從云母基上剝離三明治狀的硅烯，使銀朝上，放置在氧化硅基底上。最后，他們小心地蝕刻掉一部分銀，留下兩處銀“島”作為電極，其中有一段暴露的硅烯帶。
勒萊說：“這是個(gè)非常機(jī)智的方法�！彼�(jì)劃對(duì)鍺烯也應(yīng)用這一過程。鍺烯是去年由他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的鍺構(gòu)成的二維材料，性質(zhì)也同樣不穩(wěn)定。
即使如此，硅烯晶體管也不會(huì)在短期內(nèi)出現(xiàn)在移動(dòng)電話中：暴露的硅烯在兩分鐘內(nèi)就會(huì)降解。所幸這段時(shí)間對(duì)測(cè)量它的性質(zhì)來說已經(jīng)足夠了。雖然導(dǎo)電性遜于石墨烯，但硅烯元件確實(shí)有一個(gè)較小的帶隙。
對(duì)硅烯晶體管做額外的表面涂層處理也能延長其壽命。阿金萬德曾利用特氟龍(Teflon)穩(wěn)定了二維黑磷——另一種由磷制成的二維材料，也對(duì)空氣敏感——使之成活數(shù)月。其他研究者通過犧牲多層硅烯結(jié)構(gòu)的表層，來保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)長達(dá)24小時(shí)。重要的是，有了制造硅烯晶體管的技術(shù)，我們就可以測(cè)試所有這些保存硅烯的方法是否有效;更進(jìn)一步，還可以測(cè)試其他對(duì)空氣敏感的材料�！斑@絕對(duì)是一項(xiàng)重大突破，”Lew Yan Voon說，“這是我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域期待已久的文章�！�
并不是所有人對(duì)硅烯方向都有如此熱情。來自瑞典哥德堡查爾姆斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)的亞里•基納雷特(Jari Kinaret)說：“硅烯、鍺烯和二維黑磷單晶的確有許多可討論之處，但與之相關(guān)的困難仍相當(dāng)艱巨�！被{雷特也是歐盟石墨烯旗艦項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人——這是一項(xiàng)擁有10億歐元(約11億美元)經(jīng)費(fèi)的項(xiàng)目，專門研究二維材料及其應(yīng)用。
然而，勒萊確信研究者將會(huì)紛紛聚集到硅烯的課題上來�！艾F(xiàn)在元件已經(jīng)制作出來了，”他說，“其他的科學(xué)家會(huì)明白硅烯并不是虛幻構(gòu)想，而是一個(gè)實(shí)際可用的材料�！�
