異質(zhì)結(jié)構(gòu)新材料二硫化鉬，未來芯片的新潛力

將二硫化鉬添加在原有PC原料上，可以達到導(dǎo)熱、散熱的要求。隨著半導(dǎo)體制程邁向 3 納米，如何跨越晶體管微縮的物理極限，成為半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。厚度只有原子等級的二維材料，例如石墨烯(Graphene)與二硫化鉬(MoS2)等，被視為有潛力取代硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。

二硫化鉬(MoS2)因其獨特的單層原子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光電特質(zhì)，被認為是最有希望替代硅，成為未來應(yīng)用在半導(dǎo)體、晶體管和芯片等高精尖科技領(lǐng)域中的理想材料之一，因此，近年來科學(xué)家們對二硫化鉬的探索與研究一直保持著濃厚的興趣。

近日，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)研究團隊利用二硫化鉬開發(fā)出了一種“類大腦神經(jīng)元傳輸”的新型計算機芯片，兼具在相同電路中處理和存儲信息的能力，為計算機設(shè)備實現(xiàn)小型化、高效化和節(jié)能化提供新的思路。

二硫化鉬是一種過渡金屬硫族化物二維材料(TMDC)，具備類石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)，同時擁有石墨烯沒有的直接帶隙半導(dǎo)體特質(zhì)。二硫化鉬由三個原子平面層(S-Mo-S)堆疊而成，具有較大的比表面積，電子遷移速率高，抗磁抗輻照，低耗環(huán)保，節(jié)能增效，穩(wěn)定性高，且能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，是光學(xué)電子設(shè)備的理想材料。

對鈷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)進行特征分析，發(fā)現(xiàn)在室溫下，異質(zhì)結(jié)構(gòu)間的交互作用仍然可以在非晶相的磁性材料中，誘發(fā)出常見于晶相結(jié)構(gòu)的「自發(fā)磁異向性」，為磁異向性的起源與操控，開辟嶄新視野。

磁異向性指的是磁性材料的磁化方向容易沿特定方向排列的特性，可用來定義數(shù)字記錄中的 0 與 1。

如何運用新材料或是人工結(jié)構(gòu)的制備來發(fā)現(xiàn)新的磁異向性，并控制其方向，是目前發(fā)展磁儲存與磁感應(yīng)技術(shù)的重要關(guān)鍵，包括磁阻隨機存取內(nèi)存(MRAM)、手機的電子羅盤、陀螺儀，都會用到電子自旋的特性。與傳統(tǒng)電子組件相比，自旋電子組件可以提供更高能源效率和更低功耗，也被預(yù)測為是下一世代的主流組件。

EPFL研究人員第一次將二維材料二硫化鉬成功地應(yīng)用于集數(shù)據(jù)存儲與邏輯運算為一體的芯片當(dāng)中，這將顛覆傳統(tǒng)計算機由中央處理器CPU處理數(shù)據(jù)再傳輸至硬盤存儲的模式。相關(guān)成果發(fā)布在《Nature》上。

據(jù)介紹，新型芯片是基于浮柵場效應(yīng)晶體管(FGFET)的，通常應(yīng)用于相機、手機或者計算機設(shè)備的閃存系統(tǒng)。這些晶體管能夠長時間保持電荷，而僅具備三個原子層厚度的二硫化鉬不僅可以進一步減小電子設(shè)備的體積，還對晶體管中存儲的電荷具有較強的敏感性，因此可以同時實現(xiàn)邏輯運算和數(shù)據(jù)存儲功能。

中鎢在線二硫化鉬不僅在半導(dǎo)體、納米晶體管等光學(xué)電子領(lǐng)域中應(yīng)用潛力巨大，同時還可以作為潤滑劑、抗氧劑、催化劑等，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、采礦、造船、軸承等工業(yè)領(lǐng)域。

增進磁異向性的另一個成因軌域混成(Orbital hybridization)，深入探討產(chǎn)生這個現(xiàn)象的關(guān)鍵機制，進一步研究操控自旋電子扇區(qū)方向的新方法，有機會為半導(dǎo)體業(yè)與光電等產(chǎn)業(yè)，帶來突破性的發(fā)展。