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從“蓋房子”到“頂竹筍”:我國科學(xué)家首創(chuàng)晶體制備新方法
晶體是計算機、通訊、航空、激光技術(shù)等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。傳統(tǒng)制備大尺寸晶體的方法,通常是在晶體小顆粒表面“自下而上”層層堆砌原子,好像“蓋房子”,從地基逐層“砌磚”,最終搭建成“屋”。
北京大學(xué)科研團隊在國際上首創(chuàng)出一種全新的晶體制備方法,讓材料如“頂著上方結(jié)構(gòu)往上走”的“頂竹筍”一般生長,可保證每層晶體結(jié)構(gòu)的快速生長和均一排布,極大提高了晶體結(jié)構(gòu)的可控性。這種“長材料”的新方法有望提升芯片的集成度和算力,為新一代電子和光子集成電路提供新的材料。這一突破性成果于7月5日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。
圖為用“晶格傳質(zhì)-界面生長”新方法制備晶圓級二維晶體受訪者供圖
北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長劉開輝教授介紹,傳統(tǒng)晶體制備方法的局限性在于,原子的種類、排布方式等需嚴(yán)格篩選才能堆積結(jié)合,形成晶體。隨著原子數(shù)目不斷增加,原子排列逐漸不受控,雜質(zhì)及缺陷累積,影響晶體的純度質(zhì)量。為此,急需開發(fā)新的制備方法,以更精確控制原子排列,更精細(xì)調(diào)控晶體生長過程。
為此,劉開輝及其合作者原創(chuàng)提出名為“晶格傳質(zhì)-界面生長”的晶體制備新范式:先將原子在“地基”,即厘米級的金屬表面排布形成第一層晶體,新加入的原子再進(jìn)入金屬與第一層晶體間,頂著上方已形成晶體層生長,不斷形成新的晶體層。
實驗證明,這種“長材料”的獨特方法可使晶體層架構(gòu)速度達(dá)到每分鐘50層,層數(shù)最高達(dá)1.5萬層,且每層的原子排布完全平行、精確可控,有效避免了缺陷積累,提高了結(jié)構(gòu)可控性。利用此新方法,團隊現(xiàn)已制備出硫化鉬、硒化鉬、硫化鎢等7種高質(zhì)量的二維晶體,這些晶體的單層厚度僅為0.7納米,而目前使用的硅材料多為5到10納米。
圖為基于二維晶體的電子和光子集成電路受訪者供圖
“將這些二維晶體用作集成電路中晶體管的材料時,可顯著提高芯片集成度。在指甲蓋大小的芯片上,晶體管密度可得到大幅提升,從而實現(xiàn)更強大的計算能力?!眲㈤_輝說,此外,這類晶體還可用于紅外波段變頻控制,有望推動超薄光學(xué)芯片的應(yīng)用。
(記者魏夢佳)
- 原標(biāo)題:新華全媒+|從“蓋房子”到“頂竹筍”:我國科學(xué)家首創(chuàng)晶體制備新方法
- 責(zé)任編輯: 林鈴錦 
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