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美俄两国科学家发明世界上第一种一维半导体材料

日期:2017-02-24

这种材料是两种化合物的复合体:钽 - 钯 - 硒化合物(Ta2Pd3Se8)和钽- 铂 - 硒化合物(Ta2Pt3Se8)。早在30多年前,人类就能够合成TaPdSe和TaPtSe晶体,而这两种新材料的组成部分则通是过微机电分离技术获取自对应的化合物晶体。

俄罗斯莫斯科国立科技大学(National University of Science and Technology)由数学和物理学博士帕维尔·索罗金(Pavel Sorokin)领导的研究团队完成了新材料的理论工作,而美国新奥尔良杜兰大学的Jiang Wei领导的研究团队完成了实验部分。

 

 

Pavel Sorokin

帕维尔·索罗金就职于国立科技大学,是纳米尺度架构理论材料科学和无机纳米材料实验室的负责人。近日,他就此材料对人类生活可能带来的长远影响接受了俄罗斯国立新闻集团记者的采访。

记者:索罗金先生,您领导下完成的该材料理论工作有什么重要意义?这种新材料所代表的未来半导体材料相较于现有同类材料到底有何不同?

索罗金:我们和美国同行一起致力于制造更紧凑,速度更快的电子器件。理论上来说,有了我们的新材料后,将有可能把电路缩小到纳米尺度,同时,这样的电路运行速度将更快,而能耗则更低。更重要的是,这种材料的应用范围将越来越广。

而电子器件的速度和其他参数都直接取决于导电材料的质量。我们之前成功地制造出了纳米尺度的导线,因此我们尝试将这种导线用于制造革命性的新型电子系统。

 

 

如果纳米电子器件得以普及,那么我们身边的所有电子系统能可以变得更智能,体积更小。而光中继器件、光敏二极管、传感器和其他电子设备的响应速度可以更快,而耗电则将更低

记者:新发明的“纳米工程材料”会给电子工业带来怎样的巨大改变?

索罗金:微电子和光电子工业是受益最大的部门。新材料可以提供独特的光电、机械、化学和生物特性。

新材料最大的特点在于:它是一种尺度非常小的一维纳米结构材料,材料的直径达到了让我们为之骄傲的及小尺寸。此外,我们获得材料的加工方法也与传统方法迥然不同。一般来说,目前获得纳米线的方法就是把石墨烯和二硫属元素材料切割成带状。以上两点就是我们研发出的新材料的巨大优势。

 

 

由于(材料化合物的)晶体是由互联的、宽度相同纳米带组成的,于是我们就是总是可以抽取出同样宽度的纳米带,此外,我们还实现了实现了流水线化连续抽取。

记者:说到这里我不禁要问,您认为是什么动机促使科学家去探索未知的?新的发现是突然产生的,还是通过漫长艰苦的试错才产生的?

索罗金:新材料的研发工作可以追溯到2010年我在德克萨斯州莱斯大学做博士后期间的工作。我所在团队的负责人鲍里斯·雅克比松(Boris Jacobson)教授是位很早就定居美国的俄罗斯移民,也是该领域出类拔萃的专家。他教导我以不同的视角看待问题,从被普遍认为已经研究透了的领域发掘出新的东西。

雅克比松教授和我博士导师列昂尼德·切诺扎东斯基(Leonid Chernozatonsky)的教导使我受益良多。在莱斯大学我遇到了蒋伟,他是一个天赋和干劲都属上佳的博士后。3年后我回到莫斯科,在Jiang Wei的提议下,我们开始进行合作研究。合作成果发表在了《Nature Physics》上,这是个不错的开局。

Jiang Wei接下来的建议是共同研究一种理论上可能存在的晶体。我们计算了它的结构,发现它很可能是一种“接近1维”的半导体。

尽管20世纪80年代就被发现,但钽-钯(铂)-硒化合物太过复杂,因此之前从未被系统研究过。该化合物晶体由弱链接的条带组成,其结构类似于过渡金属二硫族化合物中的条带结构。

 

 

科学家们研究二硫化钼或二硫化钨等过渡金属的二硫化合物中的条带结构(可以看作是2维的)已经很长时间,因为该化合物可以提高半导体的特性。在传统硅材料的潜力日益被挖尽的时代,这类化合物提供了很有潜力的解决方案。

这类化合物的结构有点像三明治:一层硫族元素——硒或者硫——下来是一层过渡金属原子——钨或钼,然后又是一层硫族元素,如此这般。

人类早已制造出二维层状结构的过渡金属二硫化物半导体。但是,我们认为,我们可以进一步造出一维结构来。如果能实现,那么就可以制造出尽可能小的半导体原件。

然而再实验中,我们的确遇到了不少麻烦。从三明治结构中分离纳米带状结构被证明是几乎不可能完成的任务,难度太大,勉强取出的纳米带状结构,性能也不怎么样。

记者:2004年,科学界首次认为,石墨烯是21世纪的半导体材料。你如何想到了现在这条全新的致胜思路呢?

 

 

索罗金:我们突然意识到,我们根本就不该切割三明治结构,因为这种三明治结构本身就是我们寻找的目标!

Jiang Wei完成了实验。实验非常简单:他用胶带从晶体上粘了一个薄层下来,然后就获得了所需的纳米结构。胶带法也是用来获得石墨烯的实验室方法。它尽管简单,却非常有效,可以获得高质量的纳米尺度材料。

在胶带的帮助下,Jiang Wei制造出了厚度只有1纳米的纳米条带。此外,我们的美国同行还用这种材料制造了1个三极管。同时,莫斯科的团队研究了纳米条带,以及多纳米条带组成的纳米长索的结构和电特性。

我们还有很多工作要做。目前,我们获得了多种互联的纳米条带。未来,我们希望能在除了钽-钯(铂)-硒化合物之外的新材料中,发现新的纳米结构。考虑到钽-钯(铂)-硒化合物的众多有着众多的表亲,这一点几乎肯定能够做到。(麻省理工科技评论)

编译:离子心

参考:https://sputniknews.com/science/201702101050536892-smart-material-russia-us-scientists/

 

http://it.sohu.com/20170222/n481450491.shtml

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