二维氧化物为高速电子打开大门

几十年来计算能力的进步部分归功于我们制造越来越小的晶体管的能力，晶体管是电子设备的组成部分，但我们正在接近通常使用的硅材料的极限。一个国际科学家团队表示，一种制造二维氧化物材料的新技术可能为未来的高速电子产品铺平道路。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授约书亚罗宾逊说：“我们可以让我们的晶体管，我们的电子设备更快地工作的一种方法是缩短电子在A点和B点之间必须行进的距离。”“对于像硅这样的3D材料，你只能走这么远——一旦你将它缩小到纳米，它的特性就会发生变化。因此，人们大力推动寻找新材料，其中一种是2D材料。”

由材料科学系研究生FurkanTurker领导的团队使用一种称为限制异质外延或CHet的技术来制造二维氧化物，这种具有特殊性能的材料可以用作导电层之间的原子级薄绝缘层材料。

“现在我们基本上可以制造出世界上最薄的氧化物——只有几个原子厚，”Turker说。“这使您可以将导电层比以往任何时候都更靠近，而不会让它们接触。这使得在导电层之间形成超薄屏障成为可能，这对于制造下一代电子设备(例如二极管或晶体管)至关重要。”

在实验室测试中，这些氧化物显示出良好的特性，可用于称为异质结构的2D/3D堆叠材料，它可以使电子垂直穿过结构，而不是像传统设备那样水平移动。

科学家们说，这缩短了电子产生电流所必须经过的距离，这对于构建未来以千兆赫兹和太赫兹频率运行的高速设备非常重要。他们在AdvancedFunctionalMaterials杂志上报告了他们的发现。

“这就是这背后的真正动机——我们能否创造出一种基本上只有几个原子厚的绝缘体，并且仍然能够控制整个堆栈的电子特性，”罗宾逊说。“而且因为它更短，这意味着我们的电子可以更快地从A移动到B，而且它们根本不需要提高速度。”

该研究借鉴了宾夕法尼亚州立大学之前使用限制异质外延来制造原子薄金属的工作，目前正在作为国家科学基金会材料研究、科学与工程中心(MRSEC)宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心的一部分进行探索。

该过程包括将碳化硅加热到高温，导致一层薄薄的硅从表面蒸发，留下碳，碳重新排列形成石墨烯——一种二维版本的碳，基本上在材料上形成一层保护层。

重要的是，石墨烯和碳化硅界面只是部分稳定。这意味着当科学家们在石墨烯上戳孔并在高温下将纯金属粉末蒸发到表面时，金属会在类似毛细管作用的过程中被拉入孔中，科学家说。

这些金属是导电的，甚至是超导的，但可以通过氧化变成绝缘体——与金属暴露在空气中生锈的过程相同。

在这项新工作中，科学家们在材料中创造了额外的孔洞或图案，并再次加热，让气体与内部的金属层相互作用。

“这真的就像乐高乐园——你可以获得各种‘乐高’颜色并将它们堆叠在一起，这些二维材料也是如此，”罗宾逊说。“在这项工作中，我们创建了一堆‘乐高积木’，然后通过慢慢挤入少量氧气来改变中间‘乐高积木’的颜色，而不去除任何其他东西。”

该过程使科学家能够以二维形式稳定传统的3D材料，例如氧化镓。

科学家们说，当通过传统方法生长氧化镓时，材料最初会成球或结块，直到材料达到几纳米厚时才会形成均匀的薄膜。

科学家们说，CHet技术产生了一种石墨烯帽，将材料夹在其中并形成分子薄层。

“石墨烯的特性控制着它下面的一切，”特克说。“这篇论文展示的第一件事是石墨烯是一个看门人，通过控制看门人的特性，我们可以调整它下面的层以形成二维金属或氧化物，通过它我们可以操纵电子特性的2D/3D异质结构。”

进一步的工作将涉及在石墨烯顶部生长材料以创建器件结构，并研究这些层之间的连接和材料中的潜在缺陷。