美國研究發現新材料：有望製作可耐受超高溫的電子元器件

　　美國發現新材料：許多工業領域要求電子器件能夠在嚴酷的環境中穩定正常的工作，包括200攝氏度以上的超高溫環境。航空航天工業中的渦輪發動機，石油和天然氣工業中鑽井操作所需的電子器件和感應器都需要在超高溫環境下工作。儘管傳統的冷卻系統能夠幫助電子器件在高溫時正常工作，但在有些領域，冷卻的方法並不適用—或者說為了系統工作的穩定性和成本的降低，人們更希望電子器材能在高溫條件下工作。但是，在高溫下能正常工作的電晶體和電子線路卻是極少的。

　　近日，來自美國加州大學河濱分校和倫斯勒理工學院的一組研究人員發現一種學名為二硫化鉬（MoS2）的半導體材料有望用來製作高溫條件下的薄片電晶體。在本周發表在美國物理聯合會出版的《應用物理雜誌》的一篇文章中，研究者們報導了二硫化鉬薄片電晶體的製作過程及其在高溫時的功能特性，展示了該材料可用於製作耐高溫電子元件的潛力。

　　「我們的研究表明該薄片電晶體至少在500開爾文（220攝氏度）高溫情況下依然能正常工作，」加州大學河濱分校電子工程系的教授和該研究組的領頭人Alexander Balandin說。「並且該電晶體在兩個月後仍展示出穩定的工作性能，這表明二硫化鉬薄片電晶體有潛力被應用於耐高溫的電子器件和感應器中。」

　　二硫化鉬的原礦石是輝鉬礦，這種礦石大量地存在於自然界中，通常是被用作潤滑劑的添加成分。通過化學氣相沉積的方法獲得的二硫化鉬可被用來製作柔韌的薄片電晶體--一種如水龍頭一樣可控制電子和電流的運動的元件。

　　據Balandin所說，二硫化鉬屬於范得華材料家族，其結構特點是構成晶體結構的原子層之間的結合力很弱（這種結合力也被稱為范得華力）。 層與層之間弱的相互作用使得材料可以被逐層的剝落，類似於石墨的單原子層可從整塊的石墨上被剝離一樣。 層狀結構也表明高質量的超薄層可通過工業生產中的化學氣相沉積的方法獲得。

　　「儘管傳統寬能帶的半導體如碳化矽或氮化鎵製成的器件也可以延伸到高溫條件下操作，但是這些材料因造價較高而不適用於工業大規模生產，」Balandin說。「單層二硫化鉬的能帶寬是1.9電子伏特，比碳化矽或氮化鎵的還要大，更適用於工業生產。」寬能帶意味者元件能夠快速地開啟和關閉，這是電晶體所需具備的一項非常重要的特性。

　　一種倍受關注的新材料

　　據2016-2021年中國新型電子元器件材料產業運行態勢及投資戰略研究報告顯示，近年來，二硫化鉬在儀器製造和應用方面引起了廣泛關注，Balandin的團隊首次研究了該材料在耐高溫電子器材方面的應用潛力。

　　在高溫實驗中，Balandin的研究組在潔淨實驗室使用標準的平板印刷技術將二硫化鉬電晶體製作在矽襯底上。有的電晶體只有幾個原子層的厚度（如1-3層），有的則有多層的厚度（15-18層）。Balandin說，他們的實驗表明，相對厚層的薄片更具有溫度上的穩定性，並且隨著溫度的升高展現出更高的載流子遷移率。

　　通過直流測量，即在系統中持續一段時間加載穩定的電流和電壓，研究者們研究了溫度從300開爾文上升到500開爾文時電晶體的電流電壓特徵曲線也即功能特性。

　　「載流子遷移率和閾值電壓都會隨著溫度的升高而降低，」Balandin說。「載流子遷移率的降低會導致通過元件通道的電流降低，而閾值電壓的降低則會造成電流的升高。因此，電流隨著溫度的升高具體表現如何則取決於載流子遷移率和閾值電壓同時降低時相互作用的結果。」

　　研究者們觀察到的另一個有趣的現象是在電流電壓特徵曲線中，當溫度上升到450開爾文時，靠近零電壓的位置有一個特性「結」。這種體現材料「記憶效應」的特徵結在石墨電晶體和電子玻璃中也曾被類似地觀察到過，這一現象表明該材料有望用來製作耐高溫感應器。

　　Balandin說，在實際應用中，高溫條件下的電子線路和感應器要求二硫化鉬電晶體至少能連續工作一個月之久。研究組在兩個月之後再次檢測了二硫化鉬電晶體的工作性能，發現它依然能實現穩定操作，且具有更高的閾值電壓，更低的載流子遷移率，且遷移率對溫度的依賴性也更弱。

　　研究者們下一步的計劃是研究用工業中的化學氣相沉積法製作的二硫化鉬電晶體和電路在高溫條件下的的工作性能。