一種有望應用在5nm以下芯片的新材料

在2021 年 10 月發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(huì )期刊《應用納米材料》上的一篇論文中，工程師們揭示了一種特殊合成的硼烯（Borophene）的超導特性。據介紹，這項研究背后的團隊來(lái)自中國青島山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院——該機構專(zhuān)門(mén)研究硼烯、二維硼烯納米材料以及該金屬的新應用，包括作為鋰離子電池的負極材料。

最近，他們首次成功合成了氫化硼烯（B 8 H 4），這一發(fā)展為二維硼基半導體開(kāi)辟了可能性。

據《科學(xué)》報道，Monolayer borophene（triangular boron monolayer）于 2015 年首次在基材上合成。盡管新興領(lǐng)域仍然存在挑戰，但這為硼納米片（ boron nanosheets）開(kāi)辟了一個(gè)新時(shí)代。然而我們必須承認，第一個(gè)合成的硼納米片結構不穩定，難以探索其新的物理性質(zhì)。2016 年發(fā)表在《物理化學(xué)化學(xué)物理》上的研究發(fā)現，hydrogenating borophene可以使其穩定。

2021 年初，研究人員發(fā)現使用原子氫氫化 2D 硼烯（atomic hydrogen hydrogenate 2D borophene）會(huì )產(chǎn)生局部功函數（ local work function）較低的氫化硼烯（hydrogenated borophene），在正?？諝庵锌煞€定數天，并且只需通過(guò)熱驅除銀基板上的碳即可回收。

這些進(jìn)步意味著(zhù)科學(xué)家們現在可以使用穩定的氫化硼烯來(lái)探索其特性和應用。如果沒(méi)有穩定的氫化硼烯，就不可能對半導體中的硼烯進(jìn)行最新的研究。

這些對硼烯進(jìn)行凝聚態(tài)理論分析的科學(xué)家們使用“第一性原理”（“first-principles” ）計算方法來(lái)確定其性質(zhì)和應用。

第一性原理方法根據原子組成粒子（電子和原子核）之間的基本相互作用來(lái)描述凝聚態(tài)物質(zhì)。這改變了材料建模的傳統方法：不是在系統級別描述材料，量子（盡可能小的）組件和相互作用構成了理解的基礎。

原子之間的所有相互作用，例如化學(xué)和分子鍵合，都是由這些粒子級別的基本相互作用決定的。這意味著(zhù)這些相互作用的準確計算機模型應該揭示由此產(chǎn)生的所有復雜物理現象。

支配這些相互作用的物理學(xué)相當簡(jiǎn)單且易于理解。只有兩種粒子類(lèi)型——電子和原子核——它們的行為符合基本量子力學(xué)定律。然而，第一性原理建模仍然是一個(gè)非常困難的計算挑戰。

這是因為計算機需要解決的問(wèn)題非常龐大，就輸入它的計算數量而言。開(kāi)發(fā)準確有效的理論和計算技術(shù)來(lái)處理每個(gè)粒子及其在物質(zhì)中的相互作用對于凝聚態(tài)理論的研究至關(guān)重要。

最新研究中的第一性原理分析表明，氫化硼烯適用于納米級場(chǎng)效應晶體管 (FET)。FET 使用電場(chǎng)來(lái)控制半導體器件中的電流流動(dòng)。它們具有三個(gè)終端：源極、柵極和漏極。

由于 FET 具有 100 MΩ 或更高的高柵漏（gate-to-drain）電阻，因此在 control 和flow之間提供了良好的隔離。它們還比雙極結型晶體管 (BJT) 產(chǎn)生更少的噪聲，并且在零漏極電流時(shí)沒(méi)有偏移電壓。FET 通常也比 BJT 具有更高的熱穩定性。

FET 適用于極低功耗的開(kāi)關(guān)，這意味著(zhù)由于散熱需求的減少，它們可以有效地小型化。

新研究包括對應變工程下單層 B 8 H 4的可調電子特性的詳細評估，這對二維和納米級半導體制造很重要。

該團隊還展示了基于B 8 H 4的 FET 在彈道傳導方面的表現。彈道傳導是攜帶能量的粒子在超導體材料中相對長(cháng)距離的穩定流動(dòng)。硼基 FET 半導體在該應用中顯示出良好的電氣性能。該論文表明，基于原始B 8 H 4的 FET可以滿(mǎn)足國際半導體技術(shù)路線(xiàn)圖 (ITRS) 對高性能納米級器件的要求。

ITRS 每年由來(lái)自歐洲、日本、韓國、臺灣和美國的半導體行業(yè)人士在 1998 年至 2015 年期間制定。此后，它已被國際設備和系統路線(xiàn)圖 (IRDS) 所取代，該路線(xiàn)圖是在IEEE的贊助下發(fā)起的。

路線(xiàn)圖為納米級電子產(chǎn)品設定了未來(lái)，展示了植入物、可穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)設備和生物醫學(xué)治療在未來(lái)幾十年將如何發(fā)展。

基于B 8 H 4的 FET 是用于未來(lái)小型化電子產(chǎn)品的半導體材料的良好候選者。這些器件在僅 5 nm 的溝道長(cháng)度下運行良好，在導通電流、延遲時(shí)間和功率延遲乘積方面表現良好。

研究人員發(fā)現，在 5% 雙軸壓縮應變的情況下，基于B 8 H 4的 FET 可以進(jìn)一步縮小到僅 3 nm 的柵極長(cháng)度。

總體而言，該論文的作者相信 B 8 H 4適用于小于 5 nm 的 FET 中的應用，并且基于硼的半導體在納米技術(shù)的未來(lái)中具有廣闊的前景。

硼烯（borophene）：二維材料新成員
以石墨烯為代表的二維（2D）材料已經(jīng)在全球范圍內聞名遐邇。由于具有優(yōu)異的導電性和機械性能，2D材料被迅速用于制備更小更快的電子設備和更強大的儲能設備。目前已經(jīng)發(fā)現的2D材料包括石墨烯（graphene）、硅烯（silicene）、磷烯（phosphorene）、錫烯（stanene）以及過(guò)渡金屬硫化物（如MoS2）等。
硼是2D材料俱樂(lè )部的后來(lái)者，部分原因是因為硼本質(zhì)上是一種3D元素，很難得到平面結構。由于只有三個(gè)價(jià)電子，硼必須通過(guò)形成框架結構來(lái)補償缺失電子，以便更好的共享電子。結果就是硼至少有16種結構不同的3D多晶形。研究人員已經(jīng)制備出幾種平面硼簇，但純硼的平面網(wǎng)格結構至今仍然難以制備。
在2015年，由紐約州立大學(xué)石溪大學(xué)的Artem R. Oganov、西北大學(xué)的Mark C. Hersam以及阿貢國家實(shí)驗室的Nathan P. Guisinger帶領(lǐng)的團隊使用電子束蒸發(fā)器在超高真空度下燒蝕固體硼，在銀的表面上成功制備出了只有一個(gè)原子厚度的硼材料：硼烯（borophene）。（Synthesis of borophenes: Anisotropic, two-dimensional boron polymorphs. Science, 2015, DOI:10.1126/science.aad1080）。
上圖中，硼烯中的硼原子呈蜂窩狀排列，由接近平面的B7簇組成，每個(gè)六邊形的頂部還有一個(gè)額外的硼原子。這種硼烯是一種類(lèi)金屬的導體，而已知的硼多晶形在常壓下都是半導體。

此外，以南京航空航天大學(xué)臺國安教授為首的研究團隊當時(shí)也在銅箔基底上成功制備出了二維硼單層材料。（Synthesis of Atomically Thin Boron Films on Copper Foils. Angew. Chem. Int. Ed., 2015, DOI: 10.1002/anie.201509285）。


該單層為一斜方晶系的γ相硼，它是由正二十面體B12單元和啞鈴狀B2單元互聯(lián)構成的二維單層。雖然材料本身并不是嚴格意義上的如同硼烯的單原子層，但也是一種很有前途的2D材料。

“硼烯的研究才剛剛開(kāi)始，”美國西北大學(xué)材料專(zhuān)家Mark Hersam說(shuō)?！鞍雅鹣┲苽涑鰜?lái)這非常棒，還有很多與之有關(guān)的工作可做?！盚ersam也是上述《Science》論文的作者之一。
“我很高興看到這樣的結果，”得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的納米材料專(zhuān)家Deji Akinwande說(shuō)道?！八c其它2D材料有很大的不同，因為其它2D材料幾乎都是半導體?！?/span>
硼烯的發(fā)現也為下一個(gè)2D材料的發(fā)現指出了方向。比如位于化學(xué)周期表中硼下方的鋁，理論研究表明，它也能形成具有蜂窩狀結構的鋁烯（aluminene）。如果這種材料能夠在實(shí)驗室中創(chuàng )建，Akinwande說(shuō)，它的導電性將超過(guò)石墨烯和硼烯。
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