用“煤炭”来做晶体管？

过去七十年来，硅半导体一直主导着电子行业，用于制造几乎所有电子设备中都有的晶体管。但是，部分由于机器学习对计算能力的巨大需求，对更小晶体管的需求正在扩大可用作晶体管和现代计算机芯片所有组件的基板的材料范围。现在，一组研究人员找到了一种利用煤炭制造超薄绝缘薄膜的方法，这可能有助于开启二维材料半导体的新时代。

这项研究关注煤炭并非偶然。参与这项研究的研究机构之一是美国能源部国家能源技术实验室（NETL），该实验室致力于开发煤炭的先进、高价值替代用途，煤炭是国内丰富的自然资源，但煤炭产量正在大幅下降。用作化石燃料。他们很难找到比晶体管更高科技的用途，晶体管是执行基本计算的电子元件，也是计算机处理器计算能力的构建模块。晶体管由半导体和绝缘材料制成，就像插座中的单根电线包裹在绝缘塑料中以防止干扰一样。

当今选择的半导体是硅，但最近科学家们一直在寻找替代硅的材料，可能使用石墨烯和二硫化钼等材料，这些材料被称为二维半导体，因为它们非常平坦。这是因为晶体管尺寸和成本迅速减小的历史趋势（即摩尔定律）可能已接近尾声。将硅（一种其半导体特性需要所有三个维度的材料）加工成足够薄和足够小的切片变得越来越困难。

与此同时，强大的机器学习模型需要越来越多的计算能力，这在当前的处理器上可能需要花费大量的时间和金钱。例如，OpenAI 的GPT-3 的训练成本约为 500 万美元。如此密集的资源需求使得只有最大和最富有的公司才有可能从机器学习的优势中受益。

“所以现在有两种相反的趋势，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学副教授、该研究的合著者 Qing Cao 说。“摩尔定律正在放缓，但与此同时，所有这些新兴应用对计算能力的需求却在快速增长。”

二维半导体可以提供帮助。例如，石墨烯非常薄，以至于单片只有一个原子厚，这也使得半导体的长度也大大缩短。氮化硼是另一种二维材料，其带隙如此之高，有时在实验中用作绝缘体。但与之匹配的绝缘材料相对缺乏甚至可能限制了二维半导体的发展。

与硅一起使用的绝缘材料是金属氧化物。2D半导体也可以使用金属氧化物作为绝缘体，但这两种材料之间的界面成为一个问题——3D金属氧化物的锯齿状和不平坦的表面与2D半导体的光滑平坦表面形成陷阱和散射中心，这可能会减慢速度并偏转电子的路径。

研究人员之前也尝试过制造二维绝缘体，但问题在于制造过程：为了制造它们，科学家在真空室中施加热量，热量导致绝缘材料结晶。相邻晶体之间的边界充当绝缘材料中电流泄漏的通道，这显然是不良效应。理想情况下，二维半导体的绝缘材料应该是非晶（非晶）且也是二维的。

从煤炭中提取的新材料恰好是所有这些东西。研究人员发现，当使用石墨烯和二硫化钼半导体进行分层时，其性能比金属氧化物和晶体二维绝缘体显着提高。曹说，制造过程也相对简单：来自肯塔基州东南部的蓝色宝石煤被磨成细粉，悬浮在溶液中，然后沉积成薄膜。曹说，基于解决方案的过程可以进行非常精细的控制——研究人员能够获得只有一到两个原子厚的一致层。

NETL 的高级科学家、该研究的合著者王从军（音译）表示，煤炭是一种理想的起始材料，因为它具有丰富的纳米结构，这使得它更容易制成绝缘体并扩大规模。王说，另一个优势是，煤炭是美国国内丰富的自然资源，是一种具有成本竞争力的材料，并且可以提供更奇特的替代品所没有的一定程度的供应链安全。

研究小组还研究了这种新材料作为忆阻器绝缘体的用途，忆阻器是既可以执行计算又可以存储数据的电子元件。但曹表示，将其用于晶体管有更多希望，因为目前没有其他材料可以很好地用作二维半导体的绝缘体。

德克萨斯农工大学材料科学助理教授Yuxuan Cosmi Lin并未参与这项研究，他表示，通过解决绝缘体问题，这项研究解决了二维半导体技术“剩下的最关键的挑战之一”。

“我预见未来必须建立一个环保、多学科的制造生态系统。这项技术有可能成为关键的推动因素。”林说。

曹说，未来的研究将集中在扩大生产的方法上。对这项技术的兴趣不仅仅是学术上的。全球最大的先进处理器生产商台湾芯片制造商台积电也参与了这项研究，并表示有兴趣探索未来在其产品中引入2D材料的可能性。