自從發(fā)現(xiàn)石墨烯以來(lái)，二維材料一直是材料研究的重點(diǎn)。除其它應(yīng)用外，它們還可用于制造微型高性能晶體管。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)模擬并評(píng)估了一百種可能的材料，并發(fā)現(xiàn)了13種有前途的候選材料。

隨著電子部件的小型化日益增加，研究人員正為所帶來(lái)的負(fù)面作用而苦苦掙扎：在用常規(guī)材料（如硅）制成的納米級(jí)晶體管的情況下，會(huì)發(fā)生量子效應(yīng)，從而削弱其功能。例如，這些量子效應(yīng)之一是額外的泄漏電流，即流經(jīng)“誤流”而不通過(guò)源極和漏極觸點(diǎn)之間提供的導(dǎo)體的電流。據(jù)信摩爾定標(biāo)定律指出，每單位面積集成電路的數(shù)量每12-18個(gè)月加倍，由于有源元件的小型化帶來(lái)的挑戰(zhàn)越來(lái)越大，摩爾定標(biāo)定律將在不久的將來(lái)達(dá)到極限。這最終意味著，由于量子效應(yīng)，不再能夠使當(dāng)前制造的幾乎配備了每臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的稱為FinFET的硅基晶體管變得更小。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院洛桑分校的研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)新研究表明，可以使用新的二維材料解決這樣的問(wèn)題，這就是他們?cè)凇?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/pi/" target="_blank">Piz Daint”上進(jìn)行的模擬超級(jí)計(jì)算機(jī)建議。Piz Daint是位于瑞士國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心（CSCS）的超級(jí)計(jì)算機(jī)，以瑞士阿爾卑斯山的Piz Daint山命名。

在2018年，該研究小組發(fā)現(xiàn)石墨烯后14年來(lái)首次明確表明可以生產(chǎn)二維材料，他們?cè)凇癙iz Daint”上進(jìn)行了復(fù)雜的模擬，篩選出超過(guò)10萬(wàn)種材料；他們提取了1，825個(gè)有希望的組件，可以從中獲得二維材料層。

研究人員從這1，800多種材料中選擇了100種候選材料，每種材料都由一個(gè)原子單層組成，可能適用于構(gòu)建超大規(guī)模場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。他們?cè)陲@微鏡下研究了其性能。換句話說(shuō)，他們使用超級(jí)計(jì)算機(jī)“Piz Daint”首先使用密度泛函理論確定這些材料的原子結(jié)構(gòu)。然后，將這些計(jì)算與所謂的量子傳輸求解器（Quantum Transport solver）相結(jié)合，以模擬流過(guò)虛擬產(chǎn)生的晶體管的電子和空穴電流。所使用的量子傳輸模擬器是由該研究團(tuán)隊(duì)與另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)的，其基本方法于去年獲得了戈登·貝爾獎(jiǎng)。戈登貝爾獎(jiǎng)（ACM Gordon Bell Prize）。是美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)于1987年設(shè)立的、每年頒發(fā)的一種超級(jí)電腦應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)獎(jiǎng)。

晶體管生存能力的決定性因素是電流是否可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)柵極觸點(diǎn)最佳控制。由于通常比納米薄的二維材料的超薄特性，單個(gè)柵極觸點(diǎn)可以調(diào)節(jié)電子流和空穴電流，從而完全打開(kāi)和關(guān)閉晶體管。

研究人員強(qiáng)調(diào)：“盡管所有二維材料都具有這種特性，但并不是所有的材料都適合邏輯應(yīng)用，只有那些在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間具有足夠的帶隙的材料?！本哂泻线m帶隙的材料可防止所謂的電子隧穿效應(yīng)，從而防止電子引起的漏電流。研究人員正是在模擬中尋找這樣的材料。

他們的目標(biāo)是找到可以提供每微米大于3毫安電流的二維材料，既可以作為電子傳輸?shù)膎型晶體管，也可以作為空穴傳輸?shù)膒型晶體管，并且其溝道長(zhǎng)度可以小到厚度只為5納米，而不會(huì)影響開(kāi)關(guān)性能。研究人員說(shuō)：“只有滿足這些條件，基于二維材料的晶體管才能超越現(xiàn)在超級(jí)計(jì)算機(jī)所使用的稱為FinFET的硅基晶體管?！?/p>

考慮到這些方面，研究人員確定了13種可能的2D材料，可以用它們來(lái)構(gòu)建未來(lái)新一代的晶體管，并且還可以使摩爾定律得以延續(xù)。其中一些材料是已知的，例如黑磷即HfS2，但研究人員強(qiáng)調(diào)其它材料卻是全新的，例如Ag2N6或O6Sb4。

研究人員表示：“由于我們的超級(jí)計(jì)算機(jī)的“模擬顯微鏡”的仿真，我們創(chuàng)建了最大的晶體管材料數(shù)據(jù)庫(kù)之一。基于這些研究結(jié)果，我們希望激發(fā)研究人員使用二維材料剝落新晶體并創(chuàng)建下一代邏輯開(kāi)關(guān)?！蔽覀兿嘈?，基于這些新材料的晶體管可以替代由硅或目前流行的過(guò)渡金屬硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenide）制成的晶體管。

該最新研究成果論文發(fā)表在最近的頂尖納米期刊《ACS Nano》雜志上。