激光网3月2日消息，随着硅基计算机芯片在寻求更快、更小的设计时接近其物理极限，寻找在原子尺度上保持功能的替代材料是科学面临的最大挑战之一。
在一项突破性的发展中，维尔茨堡-德累斯顿卓越集群的研究人员设计了一种保护膜，可以保护只有一个原子厚的量子半导体层免受环境影响，而不会影响其革命性的量子特性。这使得这些精密的原子层在超薄电子元件中的应用触手可及。研究结果已发表在《自然通讯》上。
随着晶体管缩小到越来越小、越来越紧凑的尺寸，制造越来越快、越来越强大的计算机芯片的竞赛仍在继续。几年后，这些晶体管将只测量几个原子，到那时，目前使用的硅技术的小型化将达到其物理极限。因此，寻找具有全新特性的替代材料对于未来的技术进步至关重要。
2021 年，来自维尔茨堡 JMU 大学和德累斯顿工业大学量子物质复杂性和拓扑学卓越集群 ct.qmat 的科学家取得了一项重大发现：拓扑量子材料，如茚烯，它为超快、节能的电子产品带来了巨大的希望。由此产生的极薄量子半导体由单个原子层组成 - 在茚烯的情况下，铟原子 - 并充当拓扑绝缘体，沿其边缘几乎无电阻地导电。
“生产这种单一原子层需要复杂的真空设备和特定的基板材料。为了在电子元件中使用这种二维材料，需要将其从真空环境中移除。然而，暴露在空气中，即使是短暂的，也会导致氧化，破坏其革命性特性并使其变得无用，“ct.qmat 维尔茨堡发言人、实验物理学家 Ralph Claessen 教授解释说。
“我们花了两年时间寻找一种方法，使用保护涂层保护敏感的茚烯层免受环境因素的影响。挑战在于确保这种涂层不会与茚烯层相互作用，“参与该项目的Claessen博士生之一Cedric Schmitt解释道。
这种相互作用是有问题的，因为当不同类型的原子相遇时，它们在原子水平上发生化学反应，从而改变材料。对于传统的硅芯片来说，这不是问题，因为传统的硅芯片由多个原子层组成，使足够的层不受影响，因此仍然可以正常工作。
“由单个原子层组成的半导体材料通常会受到保护膜的影响。这带来了一个看似无法克服的挑战，激起了我们的研究好奇心，“Claessen说。为了寻找可行的保护层，他们探索了范德华材料，该材料以荷兰物理学家约翰内斯·迪德里克·范德华的名字命名。
Claessen解释说：“这些二维范德华原子层的特征是它们的原子之间具有很强的内部键，而与衬底的结合很弱。这个概念类似于由石墨制成的铅笔芯——一种原子排列在蜂窝层中的碳形式——在纸上书写。石墨烯层可以很容易地分离。我们的目标是复制这一特点。
维尔茨堡团队使用先进的超高真空设备，试验加热碳化硅作为茚烯的基板，探索从中形成石墨烯所需的条件。“碳化硅由硅和碳原子组成。加热它会导致碳原子从表面分离并形成石墨烯，“施密特说。“然后，我们气相沉积铟原子，将其浸入保护石墨烯层和碳化硅衬底之间。这就是我们的二维量子材料茚烯的保护层是如何形成的。
在全球范围内，ct.qmat 维尔茨堡分公司的 Claessen 和他的团队首次成功地为二维量子半导体材料制作了功能保护层，而不会影响其非凡的量子特性。在分析了制造过程后，他们彻底测试了该层的抗氧化和腐蚀保护能力。“行得通!样品甚至可以暴露在水中而不会受到任何影响，“Claessen高兴地说。“石墨烯层就像我们茚烯的保护伞。
这一突破为涉及高灵敏度半导体原子层的应用铺平了道路。超薄电子元件的制造需要在空气或其他化学环境中进行加工。由于发现了这种保护机制，这成为可能。
维尔茨堡的团队现在正专注于确定更多可以作为保护层的范德华材料，他们已经想到了一些前景。问题在于，尽管石墨烯有效地保护原子单层免受环境因素的影响，但其导电性存在短路风险。维尔茨堡的科学家们正在努力克服这些挑战，并为未来的原子层电子学创造条件。
