随着芯片技术的不断突破，硅芯片有了新的替换方案

随着电子元件的小型化日益增加，研究人员正为其带来的副作用而苦苦挣扎：在用常规材料（例如硅）制成的纳米级晶体管的情况下，会发生量子效应，从而削弱其功能。而这些量子效应之一是额外的泄漏电流，即“杂散”而不通过源极和漏极触点之间提供的导体流动的电流。

根据摩尔定标定律规定，每单位面积集成电路的数量每12-18个月加倍，但由于有源元件的小型化带来的挑战越来越大，为此摩尔定律将在不久的将来达到极限。

寄以厚望的二维材料

但是，苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院洛桑分校的研究人员进行的一项新研究表明，可以使用新的二维（2-D）材料能解决此问题。 该研究小组由苏黎世联邦理工学院集成系统研究所（IIS）的Mathieu Luisier和洛桑联邦理工学院的Nicola Marzari领导，他们将Marzari及其团队已经取得的研究结果用作其新模拟的基础。

早在石墨烯被发现14年后的2018年，它们被首次明确表明可以用来生产二维材料，而他们也在“ Piz Daint”计算机上上进行了复杂的模拟，筛选出超过100，000种材料；他们提取了1，825个有希望的组件，可以从中获得二维材料层。

研究人员从这1，800多种材料中选择了100种候选材料，每种材料都由一个原子单层组成，可能适用于超规模场效应晶体管（FET）的构造。他们现在在“从头开始”的显微镜下研究了其性能。换句话说，他们使用CSCS超级计算机“ Piz Daint”首先使用密度泛函理论（DFT）确定这些材料的原子结构。

然后，他们将这些计算与所谓的量子传输求解器结合起来，以模拟流过虚拟产生的晶体管的电子和空穴电流。所使用的量子传输模拟器是由路易斯·路易斯（Luisier）与另一个ETH研究团队共同开发的，其基本方法于2019年获得了戈登·贝尔奖。

寻找最佳的2D材料候选者

晶体管生存能力的决定性因素是电流是否可以通过一个或多个栅极触点实现最佳控制。由于二维材料（通常比纳米薄）的超薄特性，单个栅极触点可以调节电子流和空穴电流，从而完全打开和关闭晶体管。 具有由2-D材料制成的沟道的单栅FET的结构。

围绕它布置的是已研究过的2D材料的选择。（Mathieu Luisier / ETHZürich） Luisier强调：“尽管所有二维材料都具有这种特性，但并不是所有的材料都适合逻辑应用，只有那些在价带和导带之间具有足够带隙的材料才合适。” 具有合适带隙的材料可防止所谓的电子隧穿效应，从而防止电子所引起的泄漏电流。研究人员正是在模拟中寻找这些材料。

他们的目标是找到可以提供每微米大于3毫安电流的2-D材料，既可以作为n型晶体管（电子传输），也可以作为p型晶体管（空穴传输），并且其沟道长度可以小到5纳米，而不会影响开关性能。“只有满足这些条件，基于二维材料的晶体管才能超越传统的Si FinFET”，Luisier说。 考虑到这些方面，研究人员确定了13种可能的2D材料，可以用它们来构建未来的晶体管，并且还可以使摩尔定律得以延续。其中一些材料是已知的，例如黑磷或HfS2，但Luisier强调其他材料是全新的，例如Ag2N6或O6Sb4等化合物。

“由于我们的模拟，我们创建了最大的晶体管材料数据库之一。有了这些结果，我们希望能够激发使用2-D材料的实验人员去角质新晶体并创建下一代逻辑开关。” ETH教授说。由Luisier和Marzari领导的研究小组在美国国家研究能力中心（NCCR）MARVEL中密切合作，现已在ACS Nano杂志上发表了最新研究成果 。他们有信心基于这些新材料的晶体管可以替代由硅或目前流行的过渡金属二卤化金属制成的晶体管。

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