科学家破解二维半导体之谜

科学家破解二维半导体之谜

都柏林圣三一学院团队的研究成果，揭示了解锁数十种新型二维半导体的方法。迄至今日，二维半导体材料的探寻与开发，在很大程度上仍依赖于反复试验的方式。

当下，都柏林圣三一学院物理学院与AMBER（爱尔兰先进材料与生物工程研究中心）的科学家们开展的研究，为二维半导体行业呈现了一个通用的预测框架。这项题为“电化学剥离二维纳米片网络的电子特性及电路应用”的研究，已在《自然·通讯》上发表。

为何有些层状材料能够通过“电化学剥离”的方式形成纳米片，而另一些则全然无法实现这一过程？电化学剥离是利用电流驱使离子进入块状材料的层间，从而削弱将各层结合在一起的作用力。若此过程成功，材料便会形成薄的二维纳米片，其中部分纳米片具备多种用途。

都柏林圣三一学院物理学院和AMBER的皇家学会—爱尔兰研究助理教授Tian Carey指出：“此前，始终缺乏一种方法，用以预测哪些材料会展现出这种行为，以及产生具备我们所需特性、可解锁各类应用的纳米片。正因如此，仅有少数几种二维材料被加工成印刷二维晶体管网络。而在这里，我们展示了如何解锁数十种新型二维半导体。我们运用十多种新材料制造出了最先进的印刷晶体管，首次解锁了新电路。这些电路涵盖数模转换器和BASK通信电路，后者能够将数字信息编码为高频信号，这可是现代计算的基本构建单元。”

关键之处似乎在于确保“面内刚度”高于“面外刚度”。这一指标用于衡量材料在不同角度（面内即沿材料方向，面外为垂直方向）受压时抵抗变形的能力。

由Tian Carey领导、与Jonathan Coleman及其同事合作开展的这项研究，如今拥有了一个预测框架，能够精准指出众多不同材料成功剥离所需的刚度阈值。借助这一框架，他们制备出了高纵横比的纳米片油墨，并利用这些油墨构建了可正常工作的晶体管和电路，其中包括首批印刷的数模转换器和通信电路。

Carey补充说道：“畅想未来某一天，所有新的电子创新产品都能像印刷报纸一样被制造出来，这着实令人倍感兴奋。从理论层面而言，这种方法能够催生大量低成本、柔性且高性能的二维电子产品。”

“通过这项研究，我们还了解到，每个晶体管的性能受制于半导体之间的结，而非半导体自身的缺陷。这一认知对于指导我们未来的工作至关重要。鉴于此，我们的下一步计划是减小这些‘片对片’结的影响，以实现下一次重大的性能飞跃。”

Carey近期荣获了皇家学会大学研究基金，他将在圣三一学院组建一个独立的研究小组。他会扩充团队规模，并领导一个利用二维材料开发印刷电子学的项目，尤其是场效应晶体管。

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