西蒙·乌尔姆，国家研究中心(NCCR)漫威 围绕它排列的是已经研究过的一些二维材料
信用:马修·路易斯耶/苏黎世联邦理工学院 随着电子元件的日益小型化，研究人员正在努力应对不良副作用:在由硅等传统材料制成的纳米级晶体管的情况下，量子效应会削弱它们的功能
举例来说，这些量子效应之一是额外的漏电流
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电流“误入歧途”,不通过源极和漏极触点之间的导体流动
因此，摩尔比例定律(即每12-18个月每单位面积的集成电路数量翻一番)将在不久的将来达到极限，因为与有源元件小型化相关的挑战越来越多
这最终意味着，由于量子效应，目前制造的硅基晶体管——被称为鳍状场效应晶体管并装备几乎每一台超级计算机——不能再被任意缩小
二维的希望之光 然而，苏黎世联邦理工学院和EPF洛桑的研究人员的一项新研究表明，这个问题可以用新的二维材料来克服——或者至少这是他们在“皮兹丹特”超级计算机上进行的模拟所表明的
该研究小组由苏黎世联邦理工学院集成系统研究所(IIS)的马蒂厄·路易斯(Mathieu Luisier)和EPF洛桑的尼古拉·马尔扎里(Nicola Marzari)领导，他们使用马尔扎里和他的团队已经获得的研究结果作为他们新模拟的基础:早在2018年，石墨烯的发现首次明确表明二维材料是可以生产的14年后，他们使用“Piz Daint”上的复杂模拟来筛选10多万种材料；他们提取了1825种有希望的成分，从中可以获得二维材料层
研究人员从1800多种材料中选择了100种候选材料，每种材料都由单层原子组成，可以适用于制造超大规模场效应晶体管
他们现在已经在“从头算”显微镜下研究了它们的性质
换句话说，他们使用CSCS超级计算机“皮兹·戴恩”首次使用密度泛函理论确定了这些材料的原子结构
然后，他们将这些计算与所谓的量子输运求解器结合起来，模拟电子和空穴电流流过虚拟生成的晶体管
所使用的量子传输模拟器是由路易斯耶和另一个联邦理工学院研究团队共同开发的，其基本方法获得了2019年戈登·贝尔奖
寻找最佳二维候选 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几个栅极触点得到最佳控制
由于二维材料的超薄特性——通常比纳米薄——单个栅极接触可以调节电子流和空穴电流，从而完全开关晶体管
具有由二维材料制成的沟道的单栅场效应晶体管的结构
围绕它排列的是已经研究过的一些二维材料
(马蒂厄·路易斯耶/苏黎世联邦理工学院) “虽然所有的二维材料都具有这种性质，但并不是所有的二维材料都适合逻辑应用，”路易斯强调，“只有那些在价带和导带之间有足够大的带隙的材料才适合逻辑应用。”
具有合适带隙的材料可以防止所谓的电子隧道效应，从而防止由此引起的漏电流
研究人员在模拟中寻找的正是这些材料
他们的目标是找到能够提供大于3毫安/微米电流的二维材料，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)，其沟道长度可以小到5纳米，而不会损害开关性能
“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硅场效应晶体管，”路易斯说
球现在在实验研究人员的院子里 考虑到这些方面，研究人员确定了13种可能的二维材料，可以用来制造未来的晶体管，也可以延续摩尔标度律
这些材料中的一些已经为人所知，例如黑磷或氟化硫，但路易斯耶强调，其他的都是全新的化合物，如Ag2N6或O6Sb4
“由于我们的模拟，我们已经创建了最大的晶体管材料数据库之一
这位联邦理工学院的教授说:“有了这些结果，我们希望激励从事二维材料研究的实验人员剥离新晶体，创造下一代逻辑开关。”
由路易斯和马扎里领导的研究小组在NCCR漫威国家研究中心紧密合作，并在《纳米科技》杂志上发表了他们的最新联合成果
他们相信，基于这些新材料的晶体管可以取代那些由硅或目前流行的过渡金属二硫化物制成的晶体管
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