比石墨烯更逆天 世界第一種一維半導(dǎo)體材料推出

　　由俄羅斯和美國(guó)專(zhuān)家組成的國(guó)際科研組在世界上首次推出一維半導(dǎo)體材料。這種材料是兩種化合物的復(fù)合體：鉭-鈀-硒化合物（Ta2Pd3Se8）和鉭-鉑-硒化合物（Ta2Pt3Se8）。早在30多年前，人類(lèi)就能夠合成TaPdSe和TaPtSe晶體，而這兩種新材料的組成部分則通是過(guò)微機(jī)電分離技術(shù)獲取自對(duì)應(yīng)的化合物晶體。

　　俄羅斯莫斯科國(guó)立科技大學(xué)由數(shù)學(xué)和物理學(xué)博士帕維爾·索羅金（Pavel Sorokin）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)完成了新材料的理論工作，而美國(guó)新奧爾良杜蘭大學(xué)的Jiang Wei領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)完成了實(shí)驗(yàn)部分。

　　人物介紹

　　Pavel Sorokin：帕維爾·索羅金，就職于俄羅斯莫斯科國(guó)立科技大學(xué)，是納米尺度架構(gòu)理論材料科學(xué)和無(wú)機(jī)納米材料實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人。近日，他就此材料對(duì)人類(lèi)生活可能帶來(lái)的長(zhǎng)遠(yuǎn)影響接受了筆者的采訪(fǎng)。

　　筆者：索羅金先生，您領(lǐng)導(dǎo)下完成的該材料理論工作有什么重要意義？這種新材料所代表的未來(lái)半導(dǎo)體材料相較于現(xiàn)有同類(lèi)材料到底有何不同？

　　索羅金：我們和美國(guó)同行一起致力于制造更緊湊、速度更快的電子器件。理論上來(lái)說(shuō)，有了我們的新材料后，將有可能把電路縮小到納米尺度，同時(shí)，這樣的電路運(yùn)行速度將更快，而能耗則更低。更重要的是，這種材料的應(yīng)用范圍將越來(lái)越廣。

　　而電子器件的速度和其他參數(shù)都直接取決于導(dǎo)電材料的質(zhì)量。我們之前成功地制造出了納米尺度的導(dǎo)線(xiàn)，因此我們嘗試將這種導(dǎo)線(xiàn)用于制造革命性的新型電子系統(tǒng)。

　　如果納米電子器件得以普及，那么我們身邊的所有電子系統(tǒng)可以變得更智能，體積更小。而光中繼器件、光敏二極管、傳感器和其他電子設(shè)備的響應(yīng)速度可以更快，而耗電則將更低。

　　筆者：新發(fā)明的“納米工程材料”會(huì)給電子工業(yè)帶來(lái)怎樣的巨大改變？

　　索羅金：微電子和光電子工業(yè)是受益最大的部門(mén)。新材料可以提供獨(dú)特的光電、機(jī)械、化學(xué)和生物特性。

　　新材料最大的特點(diǎn)在于：它是一種尺度非常小的一維納米結(jié)構(gòu)材料，材料的直徑達(dá)到了讓我們?yōu)橹湴恋臉O小尺寸。此外，我們獲得材料的加工方法也與傳統(tǒng)方法迥然不同。一般來(lái)說(shuō)，目前獲得納米線(xiàn)的方法就是把石墨烯和二硫?qū)僭夭牧锨懈畛蓭睢Ｒ陨蟽牲c(diǎn)就是我們研發(fā)出的新材料的巨大優(yōu)勢(shì)。

　　由于（材料化合物的）晶體是由互聯(lián)的、寬度相同納米帶組成的，于是我們就總是可以抽取出同樣寬度的納米帶，此外，我們還實(shí)現(xiàn)了流水線(xiàn)化連續(xù)抽取。

　　筆者：說(shuō)到這里我不禁要問(wèn)，您認(rèn)為是什么動(dòng)機(jī)促使科學(xué)家去探索未知的？新的發(fā)現(xiàn)是突然產(chǎn)生的，還是通過(guò)漫長(zhǎng)艱苦的試錯(cuò)才產(chǎn)生的？

　　索羅金：新材料的研發(fā)工作可以追溯到2010年我在德克薩斯州萊斯大學(xué)做博士后期間的工作。我所在團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人鮑里斯·雅克比松（Boris Jacobson）教授是位很早就定居美國(guó)的俄羅斯移民，也是該領(lǐng)域出類(lèi)拔萃的專(zhuān)家。他教導(dǎo)我以不同的視角看待問(wèn)題，從被普遍認(rèn)為已經(jīng)研究透了的領(lǐng)域發(fā)掘出新的東西。

　　雅克比松教授和我博士導(dǎo)師列昂尼德·切諾扎東斯基（Leonid Chernozatonsky）的教導(dǎo)使我受益良多。在萊斯大學(xué)我遇到了蔣偉，他是一個(gè)天賦和干勁都屬上佳的博士后。3年后，我回到莫斯科，在蔣偉的提議下，我們開(kāi)始進(jìn)行合作研究。合作成果發(fā)表在了《Nature Physics》上，這是個(gè)不錯(cuò)的開(kāi)局。

　　蔣偉接下來(lái)的建議是共同研究一種理論上可能存在的晶體。我們計(jì)算了它的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它很可能是一種“接近一維”的半導(dǎo)體。

　　盡管20世紀(jì)80年代就被發(fā)現(xiàn)，但鉭-鈀（鉑）-硒化合物太過(guò)復(fù)雜，因此之前從未被系統(tǒng)研究過(guò)。該化合物晶體由弱鏈接的條帶組成，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似于過(guò)渡金屬二硫族化合物中的條帶結(jié)構(gòu)。

　　科學(xué)家們研究二硫化鉬或二硫化鎢等過(guò)渡金屬的二硫化合物中的條帶結(jié)構(gòu)（可以看作是二維的）已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)樵摶衔锟梢蕴岣甙雽?dǎo)體的特性。在傳統(tǒng)硅材料的潛力日益被挖盡的時(shí)代，這類(lèi)化合物提供了很有潛力的解決方案。

　　這類(lèi)化合物的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)像三明治：一層硫族元素——硒或者硫，一層過(guò)渡金屬原子——鎢或鉬，然后又是一層硫族元素，如此這般。

　　人類(lèi)早已制造出二維層狀結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬二硫化物半導(dǎo)體。但是，我們認(rèn)為，我們可以進(jìn)一步造出一維結(jié)構(gòu)來(lái)。如果能實(shí)現(xiàn)，那么就可以制造出盡可能小的半導(dǎo)體元件。

　　然而在實(shí)驗(yàn)中，我們的確遇到了不少麻煩。從三明治結(jié)構(gòu)中分離納米帶狀結(jié)構(gòu)被證明是幾乎不可能完成的任務(wù)，難度太大，勉強(qiáng)取出的納米帶狀結(jié)構(gòu)，性能也不怎么樣。

　　筆者：2004年，科學(xué)界首次認(rèn)為，石墨烯是21世紀(jì)的半導(dǎo)體材料。你如何想到了現(xiàn)在這條全新的致勝思路呢？

　　索羅金：我們突然意識(shí)到，我們根本就不該切割三明治結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種三明治結(jié)構(gòu)本身就是我們尋找的目標(biāo)！

　　蔣偉完成了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)非常簡(jiǎn)單：他用膠帶從晶體上粘了一個(gè)薄層下來(lái)，然后就獲得了所需的納米結(jié)構(gòu)。膠帶法也是用來(lái)獲得石墨烯的實(shí)驗(yàn)室方法。它盡管簡(jiǎn)單，卻非常有效，可以獲得高質(zhì)量的納米尺度材料。

　　在膠帶的幫助下，蔣偉制造出了厚度只有1納米的納米條帶。此外，我們的美國(guó)同行還用這種材料制造了一個(gè)三極管。同時(shí)，莫斯科的團(tuán)隊(duì)研究了納米條帶，以及多納米條帶組成的納米長(zhǎng)索的結(jié)構(gòu)和電特性。

　　我們還有很多工作要做。目前，我們獲得了多種互聯(lián)的納米條帶。未來(lái)，我們希望能在除了鉭-鈀（鉑）-硒化合物之外的新材料中，發(fā)現(xiàn)新的納米結(jié)構(gòu)?？紤]到鉭-鈀（鉑）-硒化合物有著眾多的表親，這一點(diǎn)幾乎肯定能夠做到。