科学家认为硅烯或将赶超石墨烯 实现后来居上

1994年，科学家首次模拟了硅二维晶体材料的结构。照片来源:自然

根据我们的报纸，七年前，甲硅烷只是理论家的一个梦想。石墨烯是一种众所周知的材料，由碳原子排列成蜂窝晶格，厚度只有一个原子，受其热情的驱使，研究人员推测硅原子可能会形成类似的表面。如果它们可以用来制造电子产品，硅薄膜将使半导体工业实现其小型化的最终梦想。

美国德克萨斯州立大学纳米材料研究员、晶体管制造参与者德姬·阿金万德说，尽管这种器件的性能仍然相对普通，其使用寿命只能用几分钟来衡量，但这一概念的确认却引起了轩然大波。法国马赛第一大学的材料科学家盖伊·勒莱同意他的观点。“没有人期望在这么短的时间内意识到这一点。毕竟，晶体管不可能由完全不存在的材料制成。”他说。

勒雷是自2012年以来首批对硅树脂进行实验室研究的科学家之一。随着硅烯晶体管成为现实，对石墨烯不适合制造晶体管的理解也在增加。石墨烯可能是世界上最好的导电材料，但它缺乏一个关键特征。与用于计算和芯片的半导体不同，它缺乏带隙——电子在携带电流之前必须跨越的能量障碍。带隙允许半导体器件关闭并执行“逻辑”操作。

"石墨烯可以说在逻辑应用上没有一丝希望."勒莱说。相比之下，甲硅烯有一个带隙，因为它的一些原子向上弯曲形成波纹状的脊，使它的一些电子处于稍微不同的能量状态。此外，计算机芯片制造商在选择碳晶体管时非常谨慎，超过了几十年的硅晶体管生产经验，查尔斯顿南卡罗来纳州军事学院的理论物理学家洛克·卢·延·冯说。他是第一个给甲硅烷命名的人，并在2007年模拟了它的性质。

然而，在实验室里硅氧烷的处理一直是一个巨大的挑战。这种材料不能像石墨烯一样形成块状石墨，然后用胶带从固体块上剥离。相反，研究人员通过在真空室中将硅原子的热蒸汽冷凝成透明的银片来获得它，这是一个非常复杂的过程。此外，与坚固的石墨烯不同，单个硅氧烷在空气中极其不稳定，使得很难在更有用的衬底上镀上一层薄的表面层，例如晶体管的内壁。正因为如此，直到去年，一些研究人员仍在质疑甲硅烯的存在。

阿基万德加入了意大利微电子和微系统研究所的亚历山德罗·穆勒团队，目标是保护硅树脂。他们在一层薄薄的银涂层上制作了一块硅橡胶板，并添加了一层厚度为5纳米的氧化铝涂层。然后，他们从云母衬底上剥离硅烯的夹层结构，使含银面朝上，并将其置于氧化硅衬底上。最后，他们轻轻地蚀刻掉一些银，留下两个金属“岛”作为电极，在中间留下一个暴露的硅带连接两个岛。

"这是一种非常聪明的技术。"勒莱说，他打算尝试用锗烷重复这一过程，锗烷是一种类似的“二维结构”材料，由化学性质非常活跃的锗制成，是他和他的团队去年发明的。

尽管这项技术非常聪明，但晶体管在短期内无法应用到手机上:暴露在外的硅胶将在大约2分钟内降解。然而，这段时间足以检测其特征。尽管它的电子运动比石墨烯慢，但它确实有一个小的带隙。

如果在硅烯晶体管上增加一层涂层，也可以延长其使用寿命。Akinwande曾使用聚四氟乙烯来帮助磷腈薄膜，另一种由磷制成的二维活性材料，“存活”数月。其他研究人员还说，使用多层甲硅烯可以保护下面的甲硅烯24小时，同时牺牲表面涂层。此外，制造硅晶体管的技术可以通过各种方法进行试验，也可以使用对空气敏感的各种活性材料。“这绝对是一个游戏规则的改变者。”卢·延·冯说，“这是我们期待的文章。”

然而，并不是每个人都对硅烯的未来感到乐观。"目前，关于甲硅烷基、锗烷和磷腈的讨论很多."瑞典查尔莫斯理工大学的杰瑞·基纳雷特说，他也是欧盟旗舰项目石墨烯项目的负责人，该项目耗资10亿欧元，旨在研究二维材料并拓展相关应用，“但他们面临着相当多的问题。”

然而，勒雷坚信，研究人员一定会聚集到硅烯。"现在一种装置已经开发出来了."他说，“其他科学家会认为它不再是虚构的物质，而是真实的现实。”(李冯公主)

《中国科学日报》(2015年2月5日，第二版国际版)