实时•全面•专业

Prompt•Overall•Professional

学术研究

战略动态 > 学术研究

物理学家发现工作中二硫化过渡金属材料的新电子性能,助力下一代晶体管的发展

2016-12-22 144浏览 标签:

2016年12月1日,美国得克萨斯州大学达拉斯分校和香港科技大学物理学家团队发现了可用于下一代晶体管和电子器件的材料:二硫化过渡金属(以下简称TMD)的新的电子性质:由该材料做成的器件的霍尔电子效应是根据其使用的TMD的层数的奇偶性决定的。这些成果不止能够解释TMD材料中的固有电子性质,而且证明该团队在这些器件中得到了高电子迁移率,这为有一天可以使用TMD材料做下一代晶体管材料带来了希望。

自2004年“奇迹材料”石墨烯被分离出以来,由于其可作为晶体管材料的潜力而被广泛研究。虽然科学家们认为它有在晶体管中替换传统半导体的潜力,但是由于它没有能带隙,不符合晶体管的轻易对电流进行通电/断电切换的要求。

当他们寻找石墨烯替代物时,科学家和工程师们转向了同样可以做成薄的二维层状材料二硫化过渡金属。由于二硫化过渡金属有着石墨烯没有的可以控制电流开关的能带隙,使得其成为了理想的晶体管材料。但是要将二硫化过渡金属应用于晶体管,其中一个挑战之一就是优化和增加TMD材料的电子迁移率。

在此次研究项目中,Zhang和Khamoshi为香港科技大学研究组提供理论支持并指导它们制作叠层(layer-by-layer)TMD电子器件以及如何使用磁场来研究电子是怎样穿过这些电子器件的。在该电子器件中,每一层TMD材料有三个分子层厚,这些TMD层夹在两层氮化硼分子中间。Zhang教授说:“材料中电子的行为将控制这些材料的性能,我们想要使用高电子迁移率的电子,但是这非常具有挑战性,我们的香港的合作伙伴通过设计显著提高电子迁移率的方法在这个方向取得了很大的进展”该研究团队发现非常令人惊奇的性质:电子在TMDs中的表现依赖于使用的TMD层数是单数还是奇数”。

 

电子物理学

    由于实际应用中需要使用的TMD材料是原子等级大小的,研究者们将量子物理学和它们的理论、观察相结合。量子物理学不像传统物理学描述大规模的可以看到摸到的物体的性能,它负责描述包括电子在内的非常小的颗粒。

在我们每天使用的电子器件的尺寸等级下,电子通过电线时是像一连串粒子的,然而在量子世界里,电子是像波一样波动的,二维材料在磁场中的电子横向电导不再像一串粒子,它是在不连续的阶段性变换的,这种现象叫做量子霍尔电导。量子霍尔电导可能是每一个阶段、每两个阶段等等如此发生变化的, 该团队发现如果在用于测试的电子器件中使用双数层数的TMD材料,可以得到12阶段量子霍尔电导(每12阶段一变化)。如果我们对它加一个足够强的磁场,它将每六步一变化。”如果在电子器件中使用奇数层数的TMD并与低磁场强度结合也可以在TMD材料中得到6步量子霍尔电导,但在高强度磁场下,它将变成每三步一改变。

Zhang 教授说:“我们在二硫化过渡金属(TMDs)器件中预测和观察到的这种量子霍尔电导是在其他材料中从未被发现的。这些成果不止能够解释TMD材料中的固有性质,而且证明我们在这些器件中得到了高电子迁移率。这为我们对有一天可以使用TMD材料做晶体管材料带来了希望。”



图:Fan Zhang博士(右边),物理系助理教授和高年级物理系学生Armin Khamoshi在自然通讯杂志(Nature Communication)发表了他们对二硫化过渡金属的研究成果。

 

 

留言(0)