计算芯片可以用更快、更节能的新二维材料代替硅

下一代计算机芯片可能会放弃硅而采用TMD——一种嵌入“缺陷”的二维材料，可以利用这些缺陷来提高性能。

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研究人员正在利用一种极其薄的材料中微小缺陷的力量，有一天可以制造出比传统硅半导体平台更快、更高效的计算机芯片。

“我们现有的所有电子设备都使用由硅制成的芯片，硅是一种三维材料，”普林斯顿等离子体研究实验室的物理学家 Shoaib Khalid 在声明中. “现在，许多公司正在大量投资由二维材料制成的芯片。”

这种“二维”材料被称为过渡金属二硫属化物（TMD），厚度只有几个原子。由这些超薄半导体制成的计算机芯片可以通过封装更多的处理能力来开发更小、更快的设备功率转移到较小的表面积上。

在 5 月 24 日发表在2D Materials杂志上的一项研究中，Khalid 的团队研究了使用 TMD 而不是硅是否可以解决硅基芯片创新可能已达到顶峰的问题。 

最薄的TMD只有三个原子厚，排列得像三明治一样。 “面包”由硫族原子组成——元素周期表中第 16 族的元素，如氧或硫。第 3-12 族中的过渡金属原子构成了“填充物”。

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科学家们研究了是否可以利用稍厚的 TMD 中微小的原子大小的缺陷（称为缺陷）。 

虽然 TMD 中的大多数原子排列有序、均匀，但偶尔会有一个原子缺失或被塞到不属于它的地方。科学家在研究中表示，尽管有这个名字，缺陷并不一定是坏事。例如，一些缺陷使 TMD 更具导电性。

为了利用缺陷的积极影响并减少任何负面后果，科学家需要了解缺陷是如何产生的以及它们如何影响材料的性能。在这项研究中，Khalid 的团队确定了 TMD 中最容易形成哪种缺陷，并研究了这些缺陷如何影响材料的性能。

首先，研究小组检查了其中一个硫族原子缺失的缺陷。之前的一项研究表明，一种名为二硫化钼的 TMD 材料在受到照射时会意外地发出红外光。哈立德的团队发现红外光发射是由与缺失的硫族元素所在的空间相关的电子运动触发的。

哈立德在声明中表示：“我们的工作提供了一项策略来调查大量 TMD 中是否存在这些空缺。” “我们解释了过去在二硫化钼中显示的实验结果，然后我们预测了其他 TMD 的类似情况。”

接下来，研究人员研究了一种缺陷，其中额外的氢原子被挤压在两个相邻的过渡金属原子之间。氢是一种常见的杂质，在 TMD 形成过程中产生。额外的氢原子给几种（但不是全部）TMD 材料带来轻微的负电荷，将它们变成“n 型”半导体。

计算机芯片依赖于 n 型半导体和带正电的“p 型”半导体的组合。虽然科学家们已经知道一些 TMD 材料可以充当 n 型半导体，但新研究解释了额外负电荷的来源。

科学家在研究中表示，了解这些缺陷如何影响 TMD 性能可以帮助研究人员创建下一代计算机芯片。尽管 TMD 芯片尚未准备好上架，但公司正在探索超薄 TMD 芯片来解决能源密集型人工智能操作。