下一代纳米结构开启制造超低功率电子元件的可能

来自东京都立大学的科学家们成功地设计了过渡金属二硫化物的多层纳米结构，它们在平面内相遇形成结点。他们从掺杂铌的二硫化钼碎片的边缘长出了二硫化钼的多层结构，形成了一个厚实的、粘合的、平面的异质结构。他们证明了这些可用于制造新的隧道场效应晶体管（TFET），即具有超低功率消耗的集成电路中的元件。

化学气相沉积法可用于从不同的TMDC中生长出一个多层TMDC结构。资料来源：东京都立大学

场效应晶体管（FET）是几乎所有数字电路的一个重要组成部分。它们根据跨接的电压来控制电流的通过。虽然金属氧化物半导体场效应晶体管（或称MOSFET）构成了当今使用的大多数场效应晶体管，但人们正在寻找下一代材料，以驱动要求越来越高、体积越来越小的设备，并使用更少的功率。这就是隧道式场效应晶体管（或TFET）的作用。TFET依赖于量子隧道，这是一种电子能够通过通常因量子力学效应而无法逾越的障碍的效应。尽管TFETs使用的能量要少得多，并且长期以来一直被认为是传统FETs的一个有前途的替代品，但科学家们还没有想出以可扩展的形式实现该技术的方法。

由宫田康光副教授领导的东京都立大学的一个科学家团队一直致力于用过渡金属二钙化物制作纳米结构，过渡金属和第16组元素的混合物。过渡金属二钙化物（TMDCs，两个钙化物原子对一个金属原子）是制造TFET的优秀候选材料。他们最近的成功使他们能够将单原子厚的晶体TMDC片层缝合到前所未有的长度上。

现在，他们已经将注意力转向了TMDC的多层结构。通过使用化学气相沉积（CVD）技术，他们表明他们可以从安装在衬底上的堆叠晶体平面的边缘生长出不同的TMDC。其结果是一个多层厚度的面内结。现有的关于TMDC结的大部分工作都是使用相互堆叠的单层；这是因为，尽管面内结的理论性能极佳，但以前的尝试无法实现使TFET工作所需的高空穴和电子浓度。

(a) 二硒化钨和二硫化钼的多层结的扫描透射电子显微镜图片。(b) 用于表征掺杂铌和未掺杂二硫化钼的多层p-n结的电路示意图。(c) 结上的导带最小值（Ec）和价带最大值（Ev）的能级示意图。费米水平（EF）表示在零温度下电子填充能级的水平。当施加栅极电压时，电导带中的电子可以穿越界面隧道。(d) 电流-电压曲线作为栅极电压的函数。在较高的栅极电压下，可以清楚地看到NDR趋势。资料来源：东京都立大学

在使用从二硒化钨生长出来的二硫化钼证明了他们技术的稳健性之后，他们把注意力转向了铌掺杂的二硫化钼，一种p型半导体。通过生长出未掺杂的二硫化钼（一种n型半导体）的多层结构，研究小组实现了TMDC之间的厚p-n结，其载流子浓度达到了前所未有的高度。此外，他们发现该结呈现出负微分电阻（NDR）的趋势，即电压的增加导致电流的增加越来越少，这是隧道的一个关键特征，也是这些纳米材料进入TFET的重要第一步。

该团队采用的方法也可以在大面积上扩展，使其适合在电路制造过程中实施。这对现代电子学来说是一个令人兴奋的新发展，希望它能在未来的应用中找到自己的方式。