石墨烯“表親”硅烯晶體管首秀

　　2月初，研究者揭示了第一塊硅烯晶體管的相關細節，如果這種硅薄層結構能應用于電子設備的制造，可能會推動半導體工業實現終極的微型化。

　　七年前，硅烯還只是理論家的一個夢。在對石墨烯（單原子層厚度、蜂巢狀的碳材料）的狂熱興趣的驅動下，研究者推測硅原子也許也能形成類似的層狀結構。而如果這種硅薄層結構能應用于電子設備的制造，可能會推動半導體工業實現終極的微型化。

　　2月初，研究者揭示了第一塊硅烯晶體管的相關細節，向實現夢想的方向邁出了關鍵一步。

　　參與晶體管制作的德州大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）納米材料學家德吉?阿金萬德（Deji Akinwande）說，雖然設備表現平庸，且壽命只有幾分鐘，但硅烯這一概念的驗證已足以讓與會人員精神大振。法國艾克斯?馬賽大學（Aix-Marseille University）的材料學家居伊?勒萊（Guy Le Lay）對此表示贊同。

　　“沒人會預料到，他們能在這么短的一段時間內，用尚未存在的材料做出晶體管。”他說。

　　勒萊是2012年首先在實驗室條件下制備出硅烯的科學家之一。硅烯晶體管首次誕生的這段時間，剛好也是科學家漸漸意識到石墨烯無法適用于晶體管的時候。石墨烯也許是世界上導電性最強的物質，但在一個重要的特性上，有別于計算機芯片中常用的半導體材料，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障礙，它使半導體材料可具有“開”、“關”兩種狀態，從而可用于二進制邏輯操作。

　　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 首次計算出硅和鍺的二維晶體結構（硅結構如上圖）

　　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 創造術語“硅烯”

　　2009 硅烯納米帶的制造；硅烯和鍺烯理論方面的文章進入爆發期

　　2010 海姆和諾沃肖洛夫因其在石墨烯方面的重要實驗獲得諾貝爾物理學獎

　　2012六篇獨立研究報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用而言，石墨烯沒什么希望。”勒萊說。與之對比，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十年硅元件的生產經驗，來自查爾斯頓南卡羅來納軍事學院（Citadel, the Military College of South Carolina）的理論物理學家Lok Lew Yan Voon解釋道。是他最初命名了硅烯，并在2007年建立模型評估其性能。

　　然而，在實驗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。這一過程十分復雜。同時，與穩定的石墨烯不同，不加封裝的硅烯在空氣中極不穩定，這又增加了將這種輕薄的層狀材料轉移到實用基底（比如晶體管內部）上的難度。直到去年，一些研究者仍在質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研究所的團隊，與亞歷山德羅?默勒（Alessandro Molle）協力研究為硅烯提供保護的方法。他們在銀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：“這是個非常機智的方法。”他計劃對鍺烯也應用這一過程。鍺烯是去年由他的團隊研發的鍺構成的二維材料，性質也同樣不穩定。

　　即使如此，硅烯晶體管也不會在短期內出現在移動電話中：暴露的硅烯在兩分鐘內就會降解。所幸這段時間對測量它的性質來說已經足夠了。雖然導電性遜于石墨烯，但硅烯元件確實有一個較小的帶隙。

　　對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）穩定了二維黑磷——另一種由磷制成的二維材料，也對空氣敏感——使之成活數月。其他研究者通過犧牲多層硅烯結構的表層，來保護內部結構長達24小時。重要的是，有了制造硅烯晶體管的技術，我們就可以測試所有這些保存硅烯的方法是否有效；更進一步，還可以測試其他對空氣敏感的材料。“這絕對是一項重大突破，”Lew Yan Voon說，“這是我們在這個領域期待已久的文章。”

　　并不是所有人對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（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，但與之相關的困難仍相當艱巨。”基納雷特也是歐盟石墨烯旗艦項目的負責人——這是一項擁有10億歐元（約11億美元）經費的項目，專門研究二維材料及其應用。

　　然而，勒萊確信研究者將會紛紛聚集到硅烯的課題上來。“現在元件已經制作出來了，”他說，“其他的科學家會明白硅烯并不是虛幻構想，而是一個實際可用的材料。”