工程师们通过将原子沉积在涂有“掩膜”的晶片上(左上)，可以将原子聚集在掩膜的各个口袋中(中间)，并鼓励原子生长成完美的2D单晶层(右下)。图片来源：麻省理工大学

科技日报实习记者 张佳欣

据发表在最新一期《自然》杂志上的论文，美国麻省理工学院工程师开发出一种“非外延单晶生长”方法，在工业硅晶圆上生长出纯净的、无缺陷的二维材料，以制造越来越小的晶体管。

根据摩尔定律，自20世纪60年代以来，微芯片上的晶体管数量每年都会翻一番。但这一趋势预计很快就会趋于平缓，因为用硅制成的器件一旦低于一定的尺寸，就会失去其电性能。

在纳米尺度上，二维材料可比硅更有效地传导电子。因此，寻找下一代晶体管材料的重点是将二维材料作为硅的潜在替代品。但在此之前，科学家们必须首先找到一种方法，在保持其完美结晶形态的同时，在工业标准硅片上设计这种材料。

现在，麻省理工学院研究团队用二维材料过渡金属二硫化物（TMD）制造了一种简单的功能晶体管，这种材料在纳米尺度上比硅具有更好的导电性。

为生产二维材料，研究人员通常采用一种手工工艺，即从大块材料中小心地剥离原子般薄的片，就像剥洋葱层一样。但大多数块状材料是多晶体，包含多个随机方向生长的晶体。当一种晶体与另一种晶体相遇时，“晶界”起到了电屏障的作用。任何流过一个晶体的电子在遇到不同方向的晶体时都会突然停止，从而降低材料的导电性。即使在剥离二维薄片之后，研究人员也必须搜索薄片中的“单晶”区域，这是一个繁琐且耗时的过程，很难应用于工业规模。

研究人员通过在蓝宝石晶圆上生长这些材料找到新方法。蓝宝石是一种具有六角形原子图案的材料，可促使二维材料以相同的单晶方向组装。新的“非外延单晶生长”方法不需要剥离和搜索二维材料的薄片，并可使晶体向同一方向生长。

研究小组据此制造了一个简单的TMD晶体管，其电性能与相同材料的纯薄片一样好。研究人员表示，未来或可制造出小于几纳米的器件，这将改变摩尔定律的范式。