從「蓋房子」到「頂竹筍」 中國科學(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整合度和算力，為新一代電子和光子集成電路提供新的材料。這項突破性成果于5日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

北大物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所所長劉開輝教授指出，傳統(tǒng)晶體制備方法的限制在于，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。

「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，晶體管密度可大幅提升，從而實現(xiàn)更強大的運算能力。」劉開輝說，此外，這類晶體也可用于紅外線波段變頻控制，可望推動超薄光學(xué)芯片的應(yīng)用。