新型半导体可能推动低能电子学

宾夕法尼亚州立大学和麻省理工学院 (MIT) 之间的研究合作伙伴关系可以改进方法来制造一种新型半导体，这种半导体只有几个原子薄，并以不寻常的方式与光相互作用。这种新的半导体可能会导致新的计算和通信技术使用比当前电子产品更少的能量。

新型半导体硒化锡(SnSe) 将有助于开发一种称为“光子学”的新型电子器件，该电子器件使用光粒子或光子来存储、操纵和传输信息。传统电子学使用电子来做到这一点，而光子学使用光子。硒化锡是一种二元化合物，由锡和硒以 1:1 的比例组成。

该材料与光具有特殊的相互作用，使其在电子产品中具有巨大的应用潜力。

“它可以被描述为一种具有两种不同颜色的材料，这意味着根据你观察它的方向，你会观察到不同的颜色，”材料科学与工程系的博士后助理 Wouter Mortelmans 说。麻省理工学院，该研究的主要作者。“这种特殊的光学特性对于使用光计算、存储或传输信息可能非常有用。”

Mortelmans 说，为了利用这些与方向相关的特性，材料的制造必须通过原子精度控制来完成，这一点非常重要。颜色对材料方向的依赖性将使材料质量的检查更快、更容易。

“我们需要一种可靠的方法来制造材料，制造符合规格的设备，而不必担心随机的自然变化，”麻省理工学院材料科学与工程系 Thomas Lord 副教授、该研究的高级作者 Rafael Jaramillo 说。纳米。

实现这种精密、无缺陷材料的关键是一种工艺，这对于称为外延的原子级薄半导体来说可能具有挑战性。

“外延可以想象成类似于用乐高积木建造，其中感兴趣的材料被分解成三角形或矩形乐高积木的小的单个单元，”宾夕法尼亚大学薄膜-MBE 助理研究教授 Maria Hilse 说国家材料研究所的二维晶体联盟 (2DCC)。“底座是一个超净的主晶体基板，可以在上面放置一定形状的‘乐高’积木。我们选择这个起始基板，理想情况下，它与我们材料的晶体结构完美契合想要组成，即我们的乐高积木。在 SnSe 的情况下，我们将有一个矩形乐高积木池，我们想将它们组装在一个矩形乐高底板上，这是一种氧化铝 (11-20 ) 表面。”

该研究的部分原因是 Jaramillo 和 2DCC 之间的研究关系。2DCC 是国家科学基金会支持的国家用户设施，专注于推进用于下一代电子和量子技术的 2D 层状硫属化物的合成。

“大约一半的实验工作是在 2DCC 进行的，由 Mortelmans 博士和 Hilse 博士亲自合作，”Jaramillo 说。“与 2DCC 合作极大地扩展了我们可以使用的实验能力，使该项目比其他情况下更加严格和令人信服。特别是，与 Hilse 博士和其他人的早期讨论对于激励和降低工作风险。”

Hilse 在 2DCC 的职责包括为研究进行部分 SnSe 生长的生长设施。

Hilse 说：“2DCC 使 Wouter 有可能来到宾夕法尼亚州立大学并接受我在现场合成方法方面的培训，这使他能够进行他需要的本出版物的实验。” “2DCC 的独特能力以及我的监督和经验帮助积累了出版物所依据的数据量。”

对这种伙伴关系的研究中概述的结果为研究人员和公众带来了好处。Mortelmans 说，对于研究人员来说，它提供了对二维材料制造的见解。

“我们为具有原子精度控制的 2D 材料开发了一种新的外延工艺，这对如何制造高质量的 2D 材料有了新的认识，”Mortelmans 说。“二维材料外延工艺的研究是一个相对年轻的领域，有优化的空间。凭借在这项工作中获得的新见解，我们希望进一步为二维材料外延工艺的进步做出贡献。”

此外，研究人员开发了一种原始的结构表征方法来测量外延生长的二维材料的质量。

“这种快速简便的结构表征方法适用于所有具有取向相关光学特性的材料，”Jaramillo 说。“这种方法可以显着减少进一步开发此类材料的时间和成本。”

反过来，他们的研究可以帮助实现的那种广泛使用的光子技术将为社会带来多重好处。这些范围从降低大型电子设备的功耗到用于农业、空气质量监测、公共卫生和交通的低成本环境传感器，再到用于改进自动驾驶汽车安全系统的计算机视觉和基于光的传感。

“光子学具有降低功耗的巨大潜力，特别是在大型数据中心，这些数据中心是一个庞大且不断增长的电力消耗者，因此在发电排放的温室气体中占相当大的比例，”Jaramillo 说。“因此，以可量化的方式，未来基于光的计算可以减缓全球变暖。”

鉴于研究人员开发的新制造工艺是使用光在 SnSe 中存储和传输信息的第一步，Mortelmans 表示，麻省理工学院的研究人员很有可能在未来使用 2DCC 设施和专业知识。

“2DCC 拥有出色的设施来制造 2D 材料并在制造后测量超薄膜，”Mortelmans 说。“在 2D 材料研发的许多不同重要领域都有很多专业知识。2DCC 的未来工作还没有具体的计划，但是已经建立了联系，只要有新的机会进行有趣的合作，这些联系就会很有用。”