異質(zhì)結(jié)構(gòu)新材料二硫化鉬，未來(lái)芯片的新潛力

將二硫化鉬添加在原有PC原料上，可以達(dá)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(jí)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(dú)特的單層原子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光電特質(zhì)，被認(rèn)為是最有希望替代硅，成為未來(lái)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(lái)科學(xué)家們對(duì)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(tuán)隊(duì)利用二硫化鉬開(kāi)發(fā)出了一種“類(lèi)大腦神經(jīng)元傳輸”的新型計(jì)算機(jī)芯片，兼具在相同電路中處理和存儲(chǔ)信息的能力，為計(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)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(guò)渡金屬硫族化物二維材料(TMDC)，具備類(lèi)石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)擁有石墨烯沒(méi)有的直接帶隙半導(dǎo)體特質(zhì)。二硫化鉬由三個(gè)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)?；a(chǎn)，是光學(xué)電子設(shè)備的理想材料。

對(duì)鈷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jiàn)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(kāi)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(lái)定義數(shù)字記錄中的 0 與 1。

如何運(yùn)用新材料或是人工結(jié)構(gòu)的制備來(lái)發(fā)現(xiàn)新的磁異向性，并控制其方向，是目前發(fā)展磁儲(chǔ)存與磁感應(yīng)技術(shù)的重要關(guān)鍵，包括磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存(MRAM)、手機(jī)的電子羅盤(pán)、陀螺儀，都會(huì)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(cè)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(chǔ)與邏輯運(yùn)算為一體的芯片當(dāng)中，這將顛覆傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)由中央處理器CPU處理數(shù)據(jù)再傳輸至硬盤(pán)存儲(chǔ)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(chǎng)效應(yīng)晶體管(FGFET)的，通常應(yīng)用于相機(jī)、手機(jī)或者計(jì)算機(jī)設(shè)備的閃存系統(tǒng)。這些晶體管能夠長(zhǎng)時(shí)間保持電荷，而僅具備三個(gè)原子層厚度的二硫化鉬不僅可以進(jìn)一步減小電子設(shè)備的體積，還對(duì)晶體管中存儲(chǔ)的電荷具有較強(qiáng)的敏感性，因此可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

中鎢在線(xiàn)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(shí)還可以作為潤(rùn)滑劑、抗氧劑、催化劑等，廣泛應(yīng)用于航空、汽車(chē)、采礦、造船、軸承等工業(yè)領(lǐng)域。

增進(jìn)磁異向性的另一個(gè)成因軌域混成(Orbital hybridization)，深入探討產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的關(guān)鍵機(jī)制，進(jìn)一步研究操控自旋電子扇區(qū)方向的新方法，有機(jī)會(huì)為半導(dǎo)體業(yè)與光電等產(chǎn)業(yè)，帶來(lái)突破性的發(fā)展。