二維材料在電子器件和能源領(lǐng)域具有巨大潛力。

新興和未來(lái)的 2D 電子材料（如石墨烯）在載流子容量、強(qiáng)度和多功能性方面有可能超越現(xiàn)代組件的能力。本文將討論二維電子學(xué)的一些潛在優(yōu)勢(shì)以及構(gòu)建它們的材料。

自 1950 年代以來(lái)，硅一直是用于制造晶體管、半導(dǎo)體和其他電子元件的主要材料，由于良好的材料和電子特性以及低成本，硅被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手選中。從那時(shí)起，摩爾定律，即集成電路上的晶體管數(shù)量每?jī)赡辏ù蠹s）翻一番的結(jié)論，逐漸成立，硅基電子產(chǎn)品變得越來(lái)越強(qiáng)大。然而，自 2010 年左右以來(lái)，進(jìn)展速度明顯放緩，主要是由于晶體管達(dá)到了幾乎原子的密度，該密度受到量子效應(yīng)的影響，例如電子轉(zhuǎn)移到相鄰組件（隧穿）。

為什么需要2D電子材料？

硅基晶體管已經(jīng)達(dá)到了納米級(jí)的規(guī)模，迄今為止，許多創(chuàng)新使它們能夠達(dá)到這一規(guī)模。銅互連、介電材料的結(jié)合、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （CMOS） 等。納米厚的硅片提供單獨(dú)的電荷載流子通道，但當(dāng)接近 3 nm 左右時(shí)，使它們變薄會(huì)顯著限制通道內(nèi)的載流子遷移率。

原子厚度低于 1 nm 的 2D 半導(dǎo)體天生比具有出色載流子遷移率的硅片更薄，它們?cè)谌S空間中是自鈍化的，因此在這個(gè)方向上不需要任何額外的屏蔽，并且可以使用分層策略進(jìn)行微調(diào)。具有不同性能的層狀二維材料可以通過(guò)各種門(mén)控方法進(jìn)行組合和連接，以產(chǎn)生具有精確電子功能的新型電子異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2D電子學(xué)有哪些應(yīng)用？

2D電子材料在傳感應(yīng)用中備受推崇，主要是由于其大而高度可定制的表面化學(xué)成分。任何能夠吸附或化學(xué)吸收到二維電子材料表面的顆?；蚍肿佣伎赡芤痣娮犹匦缘淖兓醋杩?，從而引起電流的變化。表面可以用互補(bǔ)分子與感興趣的分子（例如致病抗原特異性抗體）進(jìn)行功能化，從而在各種介質(zhì)（氣相和液相）中充當(dāng)高靈敏度和選擇性的檢測(cè)器。

二維電子材料可能是未來(lái)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的解決方案。受大腦結(jié)構(gòu)啟發(fā)的電路，在這些設(shè)備中，突觸和神經(jīng)元使用內(nèi)存計(jì)算和憶阻設(shè)備進(jìn)行模擬，后者將電荷與磁通鏈聯(lián)系起來(lái)。這些設(shè)備很少用于現(xiàn)代電子產(chǎn)品，并且仍在緊張開(kāi)發(fā)中，但它們作為量子計(jì)算、物理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和可重構(gòu)計(jì)算中的存儲(chǔ)設(shè)備具有強(qiáng)大的潛在應(yīng)用。

可重構(gòu)計(jì)算是一種計(jì)算機(jī)架構(gòu)，它允許對(duì)數(shù)據(jù)路徑和通過(guò)電路的流量進(jìn)行實(shí)質(zhì)性更改，允許它們針對(duì)特定任務(wù)進(jìn)行配置，然后針對(duì)另一項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行重新配置，這與普通微處理器不同。分層 2D 異質(zhì)結(jié)構(gòu)非常適合可重構(gòu)計(jì)算，因?yàn)樗鼈冇锌赡苤饘臃纸獠⒄{(diào)整層之間的門(mén)控。由于上述三維屏蔽，使用二維電子材料可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的重疊電路，從而可以最佳地利用空間。

未來(lái)電子產(chǎn)品將使用哪些 2D 材料？

石墨烯可能是最受歡迎的二維材料之一，在未來(lái)電子學(xué)中具有潛在的令人興奮的應(yīng)用。它僅由排列在六邊形晶格中的碳原子構(gòu)成，該晶格共享廣泛的共軛電子系統(tǒng)。這是二維電子材料的共同特征，例如六方氮化硼，其結(jié)構(gòu)與石墨烯相似，但含有交替的硼和氮原子。

這種材料通常用于需要高溫和化學(xué)電阻率的潤(rùn)滑和涂層應(yīng)用，與石墨烯不同，它充當(dāng)絕緣體，盡管它可用于 2D 電子電路中的短部分以充當(dāng)隧道屏障。

另一種在未來(lái)電子學(xué)中具有潛在應(yīng)用的二維材料是二硒化鎢，它不是形成一個(gè)原子厚的平面結(jié)構(gòu)，而是具有一個(gè)重復(fù)的單體單元，其中包含一個(gè)鎢原子上方和下方連接的兩個(gè)硒原子。這種材料用于太陽(yáng)能電池應(yīng)用，因?yàn)樗哂懈邘逗碗S著溫度升高而相對(duì)較低的效率損耗，并且特別用于 2D 電子器件的門(mén)控組件，例如可重構(gòu)計(jì)算。

另一種無(wú)機(jī)二維電子材料是黑磷，它表現(xiàn)出獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，允許高電荷載流子遷移率。在所有形式的磷中，黑磷在室溫下熱力學(xué)最穩(wěn)定，并且再次具有六邊形晶格結(jié)構(gòu)，允許原子之間重疊 p 型軌道并有助于高導(dǎo)電性。

黑磷特別令人感興趣，因?yàn)樗ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)層厚度來(lái)調(diào)節(jié)帶隙，它填補(bǔ)了上述二硒化鎢和其他過(guò)渡金屬硫族化物單層的大帶隙與零帶隙石墨烯之間的范圍。

審核編輯：劉清