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          美首次研制出穩(wěn)定的單原子層鍺

          美首次研制出穩(wěn)定的單原子層鍺

          2013-04-15 11:14:34

            據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)4月10日?qǐng)?bào)道,60年前,鍺被用來(lái)做成了第一塊晶體管,但隨后被硅取代,現(xiàn)在,美國(guó)科學(xué)家首次成功制造出了單原子厚度的鍺——單鍺(germanane),其電子遷移率是硅的10倍,因而有望取代硅用于制造更好的晶體管。研究發(fā)表在最新一期的美國(guó)化學(xué)會(huì)《納米》雜志上。

            單鍺的結(jié)構(gòu)同由單層碳原子組成的二維結(jié)構(gòu)的石墨烯有異曲同工之處,石墨烯目前是世上最薄、最堅(jiān)硬也是電阻率最小的納米材料,因此被期待用于制造更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管,但目前石墨烯還沒(méi)有被商用。

            俄亥俄州立大學(xué)化學(xué)系的助理教授約書(shū)亞·戈德伯格表示:“很多人將石墨烯看成是未來(lái)的電子材料,但硅和鍺目前仍占據(jù)芯片制造的主流,因此,我們一直在尋找具有獨(dú)特形式的硅和鍺,其性能更優(yōu)異、制造成本更低且可以用現(xiàn)有技術(shù)處理。最終,我們制造出了穩(wěn)定的單原子層的鍺——單鍺。”

            此前研究人員就嘗試過(guò)制造單鍺,但這是首次成功地制造出足夠數(shù)量的單鍺來(lái)詳細(xì)研究其屬性;而且他們也證明,當(dāng)接觸空氣和水時(shí),單鍺的性能仍能保持穩(wěn)定。

            在自然界中,鍺很容易形成多層晶體,其中的每個(gè)原子層緊緊依附在一起,這就使單原子層鍺的性能不穩(wěn)定。為了解決這個(gè)問(wèn)題,戈德伯格團(tuán)隊(duì)首先制造出了多層的鍺晶體,并在每層之間擠入了一些鈣原子,接著用水將鈣溶解,并用氫原子填滿留下的化學(xué)鍵,最后剝下了單層鍺。

            填充了氫原子的單鍺的化學(xué)穩(wěn)定性比傳統(tǒng)硅要好,不會(huì)像硅那樣在空氣和水中氧化,這就使得單鍺很容易使用傳統(tǒng)的芯片制造技術(shù)進(jìn)行處理。而且,單鍺擁有“直接帶隙”,這意味著它很容易吸收或釋放光;而傳統(tǒng)的硅和鍺則擁有間接帶隙,很難吸收或者釋放光,這就使得單鍺能在光電子學(xué)領(lǐng)域大有作為??茖W(xué)家們解釋道:“如果你想在一塊太陽(yáng)能電池上使用擁有間接帶隙的材料,你必須使該材料變得很厚,而擁有直接帶隙的物質(zhì)能做同樣的工作,厚度僅為其百分之一。”

            科學(xué)家們的計(jì)算表明,單鍺的電子遷移率是硅的10倍、傳統(tǒng)鍺的5倍,因此有望用于制造高能計(jì)算機(jī)芯片。戈德伯格說(shuō):“高電子遷移率非常重要,只有用遷移率更高的材料才能制造出運(yùn)行速度更快的計(jì)算機(jī)芯片。當(dāng)晶體管變得更小,也需要使用遷移率更高的材料,否則晶體管會(huì)‘罷工’。”

            該研究團(tuán)隊(duì)接下來(lái)打算探究如何通過(guò)改變單層中原子的組合方式來(lái)改進(jìn)單鍺的屬性。

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