新的研究揭示了过渡金属二硫族化物（TMD）中常见缺陷的更深层次的见解，这些材料被认为是计算机芯片中硅的潜在替代品。这项研究还为通过刻蚀创建更小特征奠定了基础。
硅计算机芯片已经是50多年的主流。当前芯片上最小的特征约为3纳米，这与人类头发约80,000纳米的宽度相比，极其微小。缩小芯片上的特征对于跟上便携式设备对更多内存和处理能力的增长需求至关重要。然而，我们正接近传统材料和方法所能达到的极限。
美国能源部下的普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员正在利用他们在物理、化学和计算机模拟方面的技能，推动下一波计算机芯片的发展。他们的重点是能够生产特征更小的芯片的工艺和材料。
“我们目前的大多数电子设备依赖于基于硅的三维芯片。现在，越来越多的人对由二维材料制成的二维芯片产生了兴趣，”PPPL的助理研究物理学家Shoaib Khalid解释道。虽然这些材料在技术上是三维的，但它们的极度薄度——通常只有几层原子厚——使它们被归类为二维材料。
Khalid与PPPL的Bharat Medasani及特拉华大学的Anderson Janotti合作，深入研究了硅的潜在替代品：过渡金属二硫族化物（TMD）。他们最新的研究发表在期刊2D Materials上，探讨了TMD中可能发生的结构变化、这些变化背后的原因以及它们对材料的影响。这些知识对于完善制造下一代计算机芯片所需的工艺至关重要。最终目标是开发基于等离子体的制造系统，能够根据各种应用的精确规格制造基于TMD的半导体。
TMD：微小的金属层蛋糕
一个TMD可以薄至三个原子高，类似于一个微小的金属分层蛋糕。“面包”由一个硫族元素（氧、硫、硒或碲）构成，而内层则是来自周期表中3到12组的一个过渡金属层。
在其块体形式中，TMD跨越五个或更多的原子层，排列成一个晶体格。理想情况下，原子应在整个晶格中形成一致而精确的模式。然而，微小的偏差，被称为缺陷，可以被发现，比如模式中缺少一个原子或一个原子处于意外位置。这些缺陷，虽然看似错误，实际上可以积极影响材料。
例如TMD中的某些缺陷可以增强材料的电导率。无论是有益还是有害，科学家必须理解缺陷产生的原因以及它们如何影响材料，以便在必要时整合或消除它们。理解这些常见缺陷也帮助研究人员解读以前TMD实验的结果。
“当生产块体TMD时，它们显示出多余的电子，”Khalid指出，强调了这些多余带负电粒子存在的神秘性。“通过这项研究，我们阐明了氢可能是这些多余电子的原因。”
研究团队通过计算创建各种TMD缺陷类型所需的能量来达到这一见解。他们考察了与硫族元素空位相关的缺陷，这些缺陷已在TMD中观察到，以及与氢相关的缺陷，因为氢在芯片制造过程中具有普遍存在性。研究人员特别感兴趣于识别低形成能的缺陷，因为这些缺陷更可能发生，所需的能量输入较少！
然后，研究人员探讨了每个低形成能缺陷对材料电荷状态的影响，特别关注每种缺陷排列如何改变材料的电荷。他们发现涉及氢的一种缺陷配置产生多余电子，导致带负电的半导体材料，称为n型材料。计算机芯片通常是使用n型和带正电（p型）半导体材料的组合制造的。
阐明硫族元素缺失现象
该论文还探讨了另一种缺陷类型，被称为硫族元素空位，其中一个氧、硫、硒或碲原子缺失，具体取决于TMD类型。研究人员旨在阐明之前在块体TMD二硫化钼薄片上进行的实验结果。这些实验涉及对TMD进行光照，揭示了材料所发出的意外光频率。研究人员将这些意外频率与与硫族元素空位相关的电子运动联系起来。
“这个缺陷相当常见，在生长TMD薄膜时，通常可以通过扫描隧道显微镜图像观察到，”Khalid解释道。“我们的研究描述了一种方法来调查块体TMD中这些空位的存在。我们澄清了在二硫化钼上的过去实验发现，并将相同的预测扩展到其他TMD。”
研究人员推荐的程序涉及使用光致发光测量技术在TMD中进行缺陷分析，以识别发射的光频率。光发射的峰频率可用于确定TMD原子内的电子配置，并确认硫族元素缺陷的存在。该研究提供了关于具有硫族元素空位的五种TMD类型所发光频率的见解，包括二硫化钼，从而为未来关于硫族元素空位的研究提供指导。
