莱斯大学 据《自然》杂志报道，科学家们已经实现了一个长期追求的目标，即利用铜衬底上曲折台阶之间的无序来生长理想的六方氮化硼晶体
这些随机的步骤使血红蛋白保持在一条直线上，并使其成为二维电子器件的电介质
信用:雅科布森研究集团 科学家们正在一步一步地寻找扩展摩尔定律的新方法
最新的研究揭示了一条通向二维晶体管集成电路的道路
一位莱斯大学的科学家和他在台湾和中国的合作者今天在《自然》杂志上报道说，他们已经成功地在一个晶片上生长出了直径为两英寸的六角形氮化硼(hBN)原子厚片
令人惊讶的是，他们通过利用铜衬底上曲折台阶间的无序，实现了长期追求的目标，即制造出一种宽带隙半导体hBN的完美有序晶体
随机步骤使hBN保持一致
晶片级的hBN作为纳米级晶体管层之间的电介质被设置在芯片中，在抑制限制集成电路效率的电子散射和俘获方面表现出色
但是到目前为止，还没有人能够制造出足够大的完美有序的六方氮化硼晶体——在这种情况下，在一个晶片上——以至于有用
布朗大学工程材料理论学院的鲍里斯·雅科布森和台湾半导体制造有限公司的李仁宗(兰斯)是这项研究的共同首席科学家
(TSMC)和他的团队
TSMC的雅科布森和蔡志朴进行了理论分析和第一性原理计算，以阐明他们的合作者在实验中所看到的机制
作为制造概念的证明，TSMC和台湾交通大学的实验人员制作了一种两英寸的二维氮化镓薄膜，将其转移到硅上，然后在氮化镓上放置一层场效应晶体管，在二维二硫化钼上形成图案
雅科布森说:“这项工作的主要发现是，可以在晶片上获得单晶体，然后他们可以移动它。”
“然后他们可以制造设备
" “目前还没有一种方法可以在晶片上生产出具有极高再现性的hBN单层电介质，这对于电子工业来说是必要的，”李补充说
“这篇论文揭示了我们为什么能够做到这一点的科学原因
" 雅科布森希望这项技术也可以广泛应用于其他二维材料，但需要一些反复试验
“我认为潜在的物理学非常普遍，”他说
氮化硼是一种重要的电介质材料，但许多理想的二维材料，如50左右的过渡金属二元化合物，在生长和转移方面也存在同样的问题，可能会从我们的发现中受益
" 1965年，英特尔公司的戈登·摩尔预测集成电路中的晶体管数量将每两年翻一番
但是随着集成电路结构变得越来越小，电路线缩小到几纳米，进展的速度很难保持
堆叠二维层的能力，每个层有数百万个晶体管，如果它们可以相互隔离，就可以克服这些限制
绝缘hBN由于其宽带隙而成为该目的的主要候选材料
尽管它的名字是“六边形”，但从上面看，单层hBN似乎是由硼和氮原子组成的两个不同的三角形晶格的叠加
为了使材料性能符合规格，hBN晶体必须是完美的；也就是说，三角形必须相连，并且都指向同一个方向
非完美晶体的晶界会降低材料的电子特性
为了使hBN变得完美，它的原子必须与下面衬底上的原子精确对准
研究人员发现，铜以(111)排列——这个数字指的是晶体表面的取向——可以完成这项工作，但前提是铜在蓝宝石衬底上高温退火，并且有氢气存在
退火消除了铜中的晶界，留下了单晶
雅科布森说，然而，这样完美的表面“太光滑”了，无法实现hBN取向
雅科布森去年报道了在银(111)上生长原始硼苯的研究，以及铜可以通过其表面的互补步骤排列hBN的理论预测
铜表面是相邻的——也就是说，稍微错切，暴露出广阔的阶地之间的原子台阶
那篇论文引起了台湾工业研究人员的注意，他们在去年的一次演讲后找到了这位教授
“他们说，‘我们读过你的论文，’”雅科布森回忆道
“‘我们在实验中看到了一些奇怪的东西
我们能谈谈吗？事情就是这样开始的
" 根据他早期的经验，雅科布森认为热波动使得铜(111)表面保持台阶状的阶地，即使它自己的晶界被消除了
这些曲折的“台阶”中的原子呈现出正好合适的界面能来束缚和约束hBN，然后HBn通过非常弱的范德瓦尔斯力附着在铜平面上时向一个方向生长
“每个表面都有台阶，但在之前的工作中，台阶是在一个硬设计的相邻表面上，这意味着它们都向下，或者都向上，”他说
“但是在铜(111)上，台阶是上下的，由基本热力学随机提供的一两个原子
" 由于铜的取向，水平原子平面偏离下面晶格的一小部分
雅科布森解释说:“表面阶梯边缘看起来是一样的，但它们并不完全是镜像双胞胎。”
“一侧与下面一层的重叠比另一侧大
" 这使得铜平台两边的结合能相差一分钟
他说，23电子伏特(每四分之一纳米的接触)，足以迫使对接的hBN原子核向同一方向生长
实验小组发现，最佳的铜厚度为500纳米，足以防止其在通过氨硼烷在铜(111)/蓝宝石衬底上的化学气相沉积生长hBN期间蒸发
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