一种有望应用在5nm以下芯片的新材料

在2021 年 10 月发表在美国化学学会期刊《应用纳米材料》上的一篇论文中，工程师们揭示了一种特殊合成的硼烯（Borophene）的超导特性。据介绍，这项研究背后的团队来自中国青岛山东大学信息科学与工程学院——该机构专门研究硼烯、二维硼烯纳米材料以及该金属的新应用，包括作为锂离子电池的负极材料。

最近，他们首次成功合成了氢化硼烯（B8H4），这一发展为二维硼基半导体开辟了可能性。

据《科学》报道，Monolayer borophene（triangular boron monolayer）于 2015 年首次在基材上合成。尽管新兴领域仍然存在挑战，但这为硼纳米片（ boron nanosheets）开辟了一个新时代。然而我们必须承认，第一个合成的硼纳米片结构不稳定，难以探索其新的物理性质。2016 年发表在《物理化学化学物理》上的研究发现，hydrogenating borophene可以使其稳定。

2021 年初，研究人员发现使用原子氢氢化 2D 硼烯（atomic hydrogen hydrogenate 2D borophene）会产生局部功函数（ local work function）较低的氢化硼烯（hydrogenated borophene），在正常空气中可稳定数天，并且只需通过热驱除银基板上的碳即可回收。

这些进步意味着科学家们现在可以使用稳定的氢化硼烯来探索其特性和应用。如果没有稳定的氢化硼烯，就不可能对半导体中的硼烯进行最新的研究。

这些对硼烯进行凝聚态理论分析的科学家们使用“第一性原理”（“first-principles” ）计算方法来确定其性质和应用。

第一性原理方法根据原子组成粒子（电子和原子核）之间的基本相互作用来描述凝聚态物质。这改变了材料建模的传统方法：不是在系统级别描述材料，量子（尽可能小的）组件和相互作用构成了理解的基础。

原子之间的所有相互作用，例如化学和分子键合，都是由这些粒子级别的基本相互作用决定的。这意味着这些相互作用的准确计算机模型应该揭示由此产生的所有复杂物理现象。

支配这些相互作用的物理学相当简单且易于理解。只有两种粒子类型——电子和原子核——它们的行为符合基本量子力学定律。然而，第一性原理建模仍然是一个非常困难的计算挑战。

这是因为计算机需要解决的问题非常庞大，就输入它的计算数量而言。开发准确有效的理论和计算技术来处理每个粒子及其在物质中的相互作用对于凝聚态理论的研究至关重要。

最新研究中的第一性原理分析表明，氢化硼烯适用于纳米级场效应晶体管 (FET)。FET 使用电场来控制半导体器件中的电流流动。它们具有三个终端：源极、栅极和漏极。

由于 FET 具有 100 MΩ 或更高的高栅漏（gate-to-drain）电阻，因此在 control 和flow之间提供了良好的隔离。它们还比双极结型晶体管 (BJT) 产生更少的噪声，并且在零漏极电流时没有偏移电压。FET 通常也比 BJT 具有更高的热稳定性。

FET 适用于极低功耗的开关，这意味着由于散热需求的减少，它们可以有效地小型化。

新研究包括对应变工程下单层 B 8 H 4的可调电子特性的详细评估，这对二维和纳米级半导体制造很重要。

该团队还展示了基于B8H4的 FET 在弹道传导方面的表现。弹道传导是携带能量的粒子在超导体材料中相对长距离的稳定流动。硼基 FET 半导体在该应用中显示出良好的电气性能。该论文表明，基于原始B8H4的 FET可以满足国际半导体技术路线图 (ITRS) 对高性能纳米级器件的要求。

ITRS 每年由来自欧洲、日本、韩国、台湾和美国的半导体行业人士在 1998 年至 2015 年期间制定。此后，它已被国际设备和系统路线图 (IRDS) 所取代，该路线图是在IEEE的赞助下发起的。

路线图为纳米级电子产品设定了未来，展示了植入物、可穿戴设备、物联网设备和生物医学治疗在未来几十年将如何发展。

基于B8H4的 FET 是用于未来小型化电子产品的半导体材料的良好候选者。这些器件在仅 5 nm 的沟道长度下运行良好，在导通电流、延迟时间和功率延迟乘积方面表现良好。

研究人员发现，在 5% 双轴压缩应变的情况下，基于B8H4的 FET 可以进一步缩小到仅 3 nm 的栅极长度。

总体而言，该论文的作者相信 B8H4适用于小于 5 nm 的 FET 中的应用，并且基于硼的半导体在纳米技术的未来中具有广阔的前景。

硼烯（borophene）：二维材料新成员

以石墨烯为代表的二维（2D）材料已经在全球范围内闻名遐迩。由于具有优异的导电性和机械性能，2D材料被迅速用于制备更小更快的电子设备和更强大的储能设备。目前已经发现的2D材料包括石墨烯（graphene）、硅烯（silicene）、磷烯（phosphorene）、锡烯（stanene）以及过渡金属硫化物（如MoS2）等。

硼是2D材料俱乐部的后来者，部分原因是因为硼本质上是一种3D元素，很难得到平面结构。由于只有三个价电子，硼必须通过形成框架结构来补偿缺失电子，以便更好的共享电子。结果就是硼至少有16种结构不同的3D多晶形。研究人员已经制备出几种平面硼簇，但纯硼的平面网格结构至今仍然难以制备。

在2015年，由纽约州立大学石溪大学的Artem R. Oganov、西北大学的Mark C. Hersam以及阿贡国家实验室的Nathan P. Guisinger带领的团队使用电子束蒸发器在超高真空度下烧蚀固体硼，在银的表面上成功制备出了只有一个原子厚度的硼材料：硼烯（borophene）。（Synthesis of borophenes: Anisotropic, two-dimensional boron polymorphs. Science, 2015, DOI:10.1126/science.aad1080）。

上图中，硼烯中的硼原子呈蜂窝状排列，由接近平面的B7簇组成，每个六边形的顶部还有一个额外的硼原子。这种硼烯是一种类金属的导体，而已知的硼多晶形在常压下都是半导体。

扫描隧道显微镜下的硼烯。图片来源：Andrew Mannix

此外，以南京航空航天大学台国安教授为首的研究团队当时也在铜箔基底上成功制备出了二维硼单层材料。（Synthesis of Atomically Thin Boron Films on Copper Foils. Angew. Chem. Int. Ed.,2015, DOI: 10.1002/anie.201509285）。

图片来源：南京航空航天大学

该单层为一斜方晶系的γ相硼，它是由正二十面体B12单元和哑铃状B2单元互联构成的二维单层。虽然材料本身并不是严格意义上的如同硼烯的单原子层，但也是一种很有前途的2D材料。

两种材料结构对比示意图，Science（上），ACIE（下）。

图片来源：C&EN

“硼烯的研究才刚刚开始，”美国西北大学材料专家Mark Hersam说。“把硼烯制备出来这非常棒，还有很多与之有关的工作可做。”Hersam也是上述《Science》论文的作者之一。

“我很高兴看到这样的结果，”得克萨斯大学奥斯汀分校的纳米材料专家Deji Akinwande说道。“它与其它2D材料有很大的不同，因为其它2D材料几乎都是半导体。”

硼烯的发现也为下一个2D材料的发现指出了方向。比如位于化学周期表中硼下方的铝，理论研究表明，它也能形成具有蜂窝状结构的铝烯（aluminene）。如果这种材料能够在实验室中创建，Akinwande说，它的导电性将超过石墨烯和硼烯。

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