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)勢以及構(gòu)建它們的材料。

自 1950 年代以來，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，硅被競爭對手選中。從那時起，摩爾定律，即集成電路上的晶體管數(shù)量每兩年（大約）翻一番的結(jié)論，逐漸成立，硅基電子產(chǎn)品變得越來越強(qiáng)大。然而，自 2010 年左右以來，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，使它們變薄會顯著限制通道內(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，它們在三維空間中是自鈍化的，因此在這個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各種門控方法進(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粒或分子都可能引起電子特性的變化，即阻抗，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器。

二維電子材料可能是未來神經(jīng)形態(tài)計算的解決方案。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。這些設(shè)備很少用于現(xiàn)代電子產(chǎn)品，并且仍在緊張開發(fā)中，但它們作為量子計算、物理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和可重構(gòu)計算中的存儲設(shè)備具有強(qiáng)大的潛在應(yīng)用。

可重構(gòu)計算是一種計算機(jī)架構(gòu)，它允許對數(shù)據(jù)路徑和通過電路的流量進(jìn)行實質(zhì)性更改，允許它們針對特定任務(wù)進(jìn)行配置，然后針對另一項任務(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)計算，因為它們有可能逐層分解并調(diào)整層之間的門控。由于上述三維屏蔽，使用二維電子材料可以實現(xiàn)復(fù)雜的重疊電路，從而可以最佳地利用空間。

未來電子產(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，它不是形成一個原子厚的平面結(jié)構(gòu)，而是具有一個重復(fù)的單體單元，其中包含一個鎢原子上方和下方連接的兩個硒原子。這種材料用于太陽能電池應(yīng)用，因為它具有高帶隙和隨著溫度升高而相對較低的效率損耗，并且特別用于 2D 電子器件的門控組件，例如可重構(gòu)計算。

另一種無機(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，因為它通過調(diào)節(jié)層厚度來調(diào)節(jié)帶隙，它填補(bǔ)了上述二硒化鎢和其他過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