自從發現石墨烯以來，二維材料一直是材料研究的重點。除其它應用外，它們還可用于制造微型高性能晶體管。蘇黎世聯邦理工學院和洛桑聯邦理工學院的研究人員現在已經模擬并評估了一百種可能的材料，并發現了13種有前途的候選材料。

隨著電子部件的小型化日益增加，研究人員正為所帶來的負面作用而苦苦掙扎：在用常規材料（如硅）制成的納米級晶體管的情況下，會發生量子效應，從而削弱其功能。例如，這些量子效應之一是額外的泄漏電流，即流經“誤流”而不通過源極和漏極觸點之間提供的導體的電流。據信摩爾定標定律指出，每單位面積集成電路的數量每12-18個月加倍，由于有源元件的小型化帶來的挑戰越來越大，摩爾定標定律將在不久的將來達到極限。這最終意味著，由于量子效應，不再能夠使當前制造的幾乎配備了每臺超級計算機的稱為FinFET的硅基晶體管變得更小。

蘇黎世聯邦理工學院和洛桑聯邦理工學院洛桑分校的研究人員進行的一項新研究表明，可以使用新的二維材料解決這樣的問題，這就是他們在“Piz Daint”上進行的模擬超級計算機建議。Piz Daint是位于瑞士國家超級計算中心（CSCS）的超級計算機，以瑞士阿爾卑斯山的Piz Daint山命名。

在2018年，該研究小組發現石墨烯后14年來首次明確表明可以生產二維材料，他們在“Piz Daint”上進行了復雜的模擬，篩選出超過10萬種材料；他們提取了1，825個有希望的組件，可以從中獲得二維材料層。

研究人員從這1，800多種材料中選擇了100種候選材料，每種材料都由一個原子單層組成，可能適用于構建超大規模場效應晶體管（FET）。他們在顯微鏡下研究了其性能。換句話說，他們使用超級計算機“Piz Daint”首先使用密度泛函理論確定這些材料的原子結構。然后，將這些計算與所謂的量子傳輸求解器（Quantum Transport solver）相結合，以模擬流過虛擬產生的晶體管的電子和空穴電流。所使用的量子傳輸模擬器是由該研究團隊與另一個研究團隊共同開發的，其基本方法于去年獲得了戈登·貝爾獎。戈登貝爾獎（ACM Gordon Bell Prize）。是美國計算機協會于1987年設立的、每年頒發的一種超級電腦應用軟件設計獎。

晶體管生存能力的決定性因素是電流是否可以通過一個或多個柵極觸點最佳控制。由于通常比納米薄的二維材料的超薄特性，單個柵極觸點可以調節電子流和空穴電流，從而完全打開和關閉晶體管。

研究人員強調：“盡管所有二維材料都具有這種特性，但并不是所有的材料都適合邏輯應用，只有那些在價帶和導帶之間具有足夠的帶隙的材料。”具有合適帶隙的材料可防止所謂的電子隧穿效應，從而防止電子引起的漏電流。研究人員正是在模擬中尋找這樣的材料。

他們的目標是找到可以提供每微米大于3毫安電流的二維材料，既可以作為電子傳輸的n型晶體管，也可以作為空穴傳輸的p型晶體管，并且其溝道長度可以小到厚度只為5納米，而不會影響開關性能。研究人員說：“只有滿足這些條件，基于二維材料的晶體管才能超越現在超級計算機所使用的稱為FinFET的硅基晶體管。”

考慮到這些方面，研究人員確定了13種可能的2D材料，可以用它們來構建未來新一代的晶體管，并且還可以使摩爾定律得以延續。其中一些材料是已知的，例如黑磷即HfS2，但研究人員強調其它材料卻是全新的，例如Ag2N6或O6Sb4。

研究人員表示：“由于我們的超級計算機的“模擬顯微鏡”的仿真，我們創建了最大的晶體管材料數據庫之一。基于這些研究結果，我們希望激發研究人員使用二維材料剝落新晶體并創建下一代邏輯開關。”我們相信，基于這些新材料的晶體管可以替代由硅或目前流行的過渡金屬硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenide）制成的晶體管。

該最新研究成果論文發表在最近的頂尖納米期刊《ACS Nano》雜志上。