随着晶体管(其基本元件)尺寸缩小到越来越小、越来越紧凑，创造速度越来越快、功能越来越强大的计算机的竞赛仍在继续。几年后，这些晶体管将仅测量几个原子的宽度——届时，目前使用的硅技术的小型化将达到其物理极限。因此，寻求具有全新性能的替代材料对于未来的技术进步至关重要。
早在 2021 年，维尔茨堡大学和德累斯顿工业大学的卓越集群 ct.qmat – 量子物质的复杂性和拓扑学的科学家们就做出了一项重大发现：诸如茚烯之类的拓扑量子材料，它在超快、节能方面具有广阔的前景电子产品。由此产生的极薄量子半导体由单个原子层(在茚烯的情况下为铟原子)组成，并充当拓扑绝缘体，沿其边缘几乎没有电阻地导电。
“生产这样的单原子层需要复杂的真空设备和特定的基材材料。为了在电子元件中使用这种二维材料，需要将其从真空环境中移出。然而，暴露在空气中，即使是短暂的，也会导致氧化，破坏其革命性的特性并使其变得无用，”实验物理学家、ct.qmat 维尔茨堡发言人 Ralph Claessen 教授解释道。
ct.qmat Würzburg 团队现已成功解决这个问题。他们的研究结果发表在《自然通讯》杂志上。
寻找保护涂层
“我们花了两年时间寻找一种方法，使用保护涂层保护敏感的茚烯层免受环境因素的影响。挑战在于确保该涂层不会与茚烯层相互作用。”参与该项目的克莱森博士生之一塞德里克·施密特 (Cedric Schmitt) 解释道。这种相互作用是有问题的，因为当不同类型的原子(例如保护层和半导体)相遇时，它们会在原子水平上发生化学反应，从而改变材料。这对于传统的硅来说不是问题，传统的硅包含多个原子层，因此有足够的层不受影响，因此仍然可以发挥作用。
“由单原子层(例如茚烯)组成的半导体材料通常会受到保护膜的损害。这构成了一个看似无法克服的挑战，激发了我们的研究好奇心，”克莱森说。为了寻找可行的保护层，他们开始探索范德华材料，该材料以荷兰物理学家约翰内斯·迪德里克·范德华(Johannes Diderik van der Waals，1837-1923 年)的名字命名。Claessen 解释道：“这些二维范德华原子层的特点是原子之间具有很强的内部键合，而与基底的键合却很弱。这个概念类似于由石墨(一种原子排列成蜂窝层的碳的形式)制成的铅笔芯在纸上书写的方式。石墨烯层可以很容易地分离。我们的目标是复制这一特征。”
成功!
维尔茨堡团队使用先进的超高真空设备，尝试加热碳化硅(SiC)作为茚烯的基材，探索从其形成石墨烯所需的条件。“碳化硅由硅和碳原子组成。加热它会导致碳原子从表面分离并形成石墨烯，”施密特在解释实验室过程时说道。“然后，我们气相沉积铟原子，将其浸入保护性石墨烯层和碳化硅基底之间。这就是我们的二维量子材料茚烯的保护层的形成方式。”
伞展开
Claessen 和他在 ct.qmat 维尔茨堡分公司的团队在全球范围内首次成功地为二维量子半导体材料制作了功能性保护层，同时又不影响其非凡的量子特性。在分析制造工艺后，他们彻底测试了该层的抗氧化和腐蚀保护能力。“有用!样品甚至可以暴露在水中而不会受到任何影响，”Claessen 高兴地说道。“石墨烯层就像茚烯的保护伞。”
迈向原子层电子学
这一突破为涉及高敏感半导体原子层的应用铺平了道路。超薄电子元件的制造需要在空气或其他化学环境中进行加工。由于这种保护机制的发现，这成为可能。维尔茨堡的团队现在专注于寻找更多可用作保护层的范德华材料——他们已经有了一些前景。问题在于，尽管石墨烯可以有效保护原子单层免受环境因素的影响，但其导电性却存在短路风险。维尔茨堡的科学家正在努力克服这些挑战，为明天的原子层电子学创造条件。
