一種有望應用在5nm以下芯片的新材料_風聞

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在2021 年 10 月發表在美國化學學會期刊《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，這項研究背後的團隊來自中國青島山東大學信息科學與工程學院——該機構專門研究硼烯、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），這一發展為二維硼基半導體開闢了可能性。

據《科學》報道，Monolayer borophene（triangular boron monolayer）於 2015 年首次在基材上合成。儘管新興領域仍然存在挑戰，但這為硼納米片（ boron nanosheets）開闢了一個新時代。然而我們必須承認，第一個合成的硼納米片結構不穩定，難以探索其新的物理性質。2016 年發表在《物理化學化學物理》上的研究發現，hydrogenating borophene可以使其穩定。

2021 年初，研究人員發現使用原子氫氫化 2D 硼烯（atomic hydrogen hydrogenate 2D borophene）會產生局部功函數（ local work function）較低的氫化硼烯（hydrogenated borophene），在正常空氣中可穩定數天，並且只需通過熱驅除銀基板上的碳即可回收。

這些進步意味着科學家們現在可以使用穩定的氫化硼烯來探索其特性和應用。如果沒有穩定的氫化硼烯，就不可能對半導體中的硼烯進行最新的研究。

這些對硼烯進行凝聚態理論分析的科學家們使用“第一性原理”（“first-principles” ）計算方法來確定其性質和應用。

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描述凝聚態物質。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（儘可能小的）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。這意味着這些相互作用的準確計算機模型應該揭示由此產生的所有複雜物理現象。

支配這些相互作用的物理學相當簡單且易於理解。只有兩種粒子類型——電子和原子核——它們的行為符合基本量子力學定律。然而，第一性原理建模仍然是一個非常困難的計算挑戰。

這是因為計算機需要解決的問題非常龐大，就輸入它的計算數量而言。開發準確有效的理論和計算技術來處理每個粒子及其在物質中的相互作用對於凝聚態理論的研究至關重要。

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

由於 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) 產生更少的噪聲，並且在零漏極電流時沒有偏移電壓。FET 通常也比 BJT 具有更高的熱穩定性。

FET 適用於極低功耗的開關，這意味着由於散熱需求的減少，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。

該團隊還展示了基於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距離的穩定流動。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，基於原始B 8 H 4的 FET可以滿足國際半導體技術路線圖 (ITRS) 對高性能納米級器件的要求。

ITRS 每年由來自歐洲、日本、韓國、中國台灣和美國的半導體行業人士在 1998 年至 2015 年期間制定。此後，它已被國際設備和系統路線圖 (IRDS) 所取代，該路線圖是在IEEE的贊助下發起的。

路線圖為納米級電子產品設定了未來，展示了植入物、可穿戴設備、物聯網設備和生物醫學治療在未來幾十年將如何發展。

基於B 8 H 4的 FET 是用於未來小型化電子產品的半導體材料的良好候選者。這些器件在僅 5 nm 的溝道長度下運行良好，在導通電流、延遲時間和功率延遲乘積方面表現良好。

研究人員發現，在 5% 雙軸壓縮應變的情況下，基於B 8 H 4的 FET 可以進一步縮小到僅 3 nm 的柵極長度。

總體而言，該論文的作者相信 B 8 H 4適用於小於 5 nm 的 FET 中的應用，並且基於硼的半導體在納米技術的未來中具有廣闊的前景。

硼烯（borophene）：二維材料新成員

以石墨烯為代表的二維（2D）材料已經在全球範圍內聞名遐邇。由於具有優異的導電性和機械性能，2D材料被迅速用於製備更小更快的電子設備和更強大的儲能設備。目前已經發現的2D材料包括石墨烯（graphene）、硅烯（silicene）、磷烯（phosphorene）、錫烯（stanene）以及過渡金屬硫化物（如MoS2）等。

硼是2D材料俱樂部的後來者，部分原因是因為硼本質上是一種3D元素，很難得到平面結構。由於只有三個價電子，硼必須通過形成框架結構來補償缺失電子，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。研究人員已經制備出幾種平面硼簇，但純硼的平面網格結構至今仍然難以製備。

在2015年，由紐約州立大學石溪大學的Artem R. Oganov、西北大學的Mark C. Hersam以及阿貢國家實驗室的Nathan P. Guisinger帶領的團隊使用電子束蒸發器在超高真空度下燒蝕固體硼，在銀的表面上成功製備出了只有一個原子厚度的硼材料：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，每個六邊形的頂部還有一個額外的硼原子。這種硼烯是一種類金屬的導體，而已知的硼多晶形在常壓下都是半導體。

掃描隧道顯微鏡下的硼烯。圖片來源：Andrew Mannix

此外，以南京航空航天大學台國安教授為首的研究團隊當時也在銅箔基底上成功製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）。

圖片來源：南京航空航天大學

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單元互聯構成的二維單層。雖然材料本身並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。

兩種材料結構對比示意圖，Science（上），ACIE（下）。

圖片來源：C&EN

“硼烯的研究才剛剛開始，”美國西北大學材料專家Mark Hersam説。“把硼烯製備出來這非常棒，還有很多與之有關的工作可做。”Hersam也是上述《Science》論文的作者之一。

“我很高興看到這樣的結果，”得克薩斯大學奧斯汀分校的納米材料專家Deji Akinwande説道。“它與其它2D材料有很大的不同，因為其它2D材料幾乎都是半導體。”

硼烯的發現也為下一個2D材料的發現指出了方向。比如位於化學週期表中硼下方的鋁，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驗室中創建，Akinwande説，它的導電性將超過石墨烯和硼烯。