工程師們通過將原子沉積在涂有“掩膜”的晶片上(左上)，可以將原子聚集在掩膜的各個口袋中(中間)，并鼓勵原子生長成完美的2D單晶層(右下)。圖片來源：麻省理工大學

   科技日報實習記者?張佳欣

據發表在最新一期《自然》雜志上的論文，美國麻省理工學院工程師開發出一種“非外延單晶生長”方法，在工業硅晶圓上生長出純凈的、無缺陷的二維材料，以制造越來越小的晶體管。

根據摩爾定律，自20世紀60年代以來，微芯片上的晶體管數量每年都會翻一番。但這一趨勢預計很快就會趨于平緩，因為用硅制成的器件一旦低于一定的尺寸，就會失去其電性能。

在納米尺度上，二維材料可比硅更有效地傳導電子。因此，尋找下一代晶體管材料的重點是將二維材料作為硅的潛在替代品。但在此之前，科學家們必須首先找到一種方法，在保持其完美結晶形態的同時，在工業標準硅片上設計這種材料。

現在，麻省理工學院研究團隊用二維材料過渡金屬二硫化物（TMD）制造了一種簡單的功能晶體管，這種材料在納米尺度上比硅具有更好的導電性。

為生產二維材料，研究人員通常采用一種手工工藝，即從大塊材料中小心地剝離原子般薄的片，就像剝洋蔥層一樣。但大多數塊狀材料是多晶體，包含多個隨機方向 生長的晶體。當一種晶體與另一種晶體相遇時，“晶界”起到了電屏障的作用。任何流過一個晶體的電子在遇到不同方向的晶體時都會突然停止，從而降低材料的導 電性。即使在剝離二維薄片之后，研究人員也必須搜索薄片中的“單晶”區域，這是一個繁瑣且耗時的過程，很難應用于工業規模。

研究人員通過在藍寶石晶圓上生長這些材料找到新方法。藍寶石是一種具有六角形原子圖案的材料，可促使二維材料以相同的單晶方向組裝。新的“非外延單晶生長”方法不需要剝離和搜索二維材料的薄片，并可使晶體向同一方向生長。

研究小組據此制造了一個簡單的TMD晶體管，其電性能與相同材料的純薄片一樣好。研究人員表示，未來或可制造出小于幾納米的器件，這將改變摩爾定律的范式。