MoS₂薄膜晶体管代表性的原子力显微镜照片

（来源：Alexander A. Balandin/加州大学河滨分校）

许多行业需要可以在恶劣环境中可靠运行电子设备，包括200 °C以上的极端温度。高温应用的例子包括在航空航天领域涡轮发动机的控制设备和在石油和天然气工业中用于钻井作业的电子设备或传感器。虽然传统冷却系统可以帮助电子设备在高温下工作，但在某些应用中冷却处理并不可行——或者说提高电子设备热环境下系统的可靠性和降低成本更有吸引力。然而，晶体管和线路在高温下进行工作的可行性是非常有限的。

最近，加州大学河滨和伦斯勒理工学院的一个研究小组发现二硫化钼(MoS2)半导体材料可能会成为制造极端温度下应用的薄膜晶体管的候选材料。本周相关论文发表在了AIP旗下期刊《Journal of Applied Physics》上，文中报道了MoS2薄膜晶体管的制备，及其在高温下的工作性能，结果表明该材料是可用于极端温度的电子设备的潜在材料。

“我们的研究表明，二硫化钼薄膜晶体管能在至少500K (220 °C) 时保持工作。”这支团队的负责人、加州大学河滨分校电子与计算机工程系的教授Alexander Balandin说，“晶体管在老化两个月后仍能稳定运行，这暗示了二硫化钼薄膜晶体管在极端温度下作为电子器件和传感器的新应用。”

辉钼矿作为二硫化钼的矿物，是一种丰富的天然材料，通常被用作润滑油添加剂。由化学气相沉积合成的二硫化钼已被发现是一种用于生产柔性薄膜晶体管的很有前途的材料。薄膜晶体管是像一个水龙头一般可以控制电子的运动和电流的设备。

根据Balandin所说，二硫化钼属于范德瓦耳斯材料，具有层状晶体特征结构，原子晶体层彼此弱键合(这种键合术语称为“范德瓦耳斯作用力”，材料名称也由此得来)。原子层间的弱连接使材料可以一层一层地剥离，就像从石墨块体中剥离获得石墨烯薄片的过程一样。片状结构也表明, 可以通过化学气相沉积方法实现高质量极薄二硫化钼层的量产。

“虽然由诸如碳化硅、氮化镓等传统宽带半导体制得的电子器件依然保留着延升到高温工作的可能性，但对于大量应用而言，它们仍是不划算的”Balandin说，“一个单层二硫化钼的带隙是1.9 eV，这比硅和砷化镓的带隙要宽。宽带隙有利于高温应用。”更大的带隙意味着一个器件可以很容易地打开和关闭，这是晶体管运作的关键属性。

新材料，“热”应用

最近二硫化钼用于电子设备很受关注，但Balandin团队是第一个探究其在高温电子设备中应用潜力的团队。在洁净室内环境中，Balandin团队使用标准光刻技术在硅基板上制备出二硫化钼晶体管以进行高温实验。根据Balandin所讲，制得的晶体管薄膜中有的只有1 – 3层厚，有的层数较多(15－18层)。相对厚的薄膜更耐热，温度升高电迁移率升高。

通过进行直流测量——即在一段较长时间里对设备施加恒电压或电流，研究人员研究了晶体管在300K到500K下的电流电压特性和功能性能。他们发现随着温度的增加，设备的性能发生着变化但仍可以工作。

“迁移率和阈值电压随温度升高而降低”Balandin说，“迁移率的下降导致通过设备通道的电流减少，然而阈值电压降低会导致电流增加。因此，电流随着温度的确切变化取决于电迁移率和和阈值电压的相互作用。”

研究人员观察到另一个有趣的特性，当温度高于450K时，在电流电压图中零电压处会出现特征“扭折”。这种“记忆效应”与石墨烯晶体管和电子玻璃观察到的现象类似，也进一步表明了材料在高温传感器方面的潜在应用。

根据Balandin所讲, 二硫化钼晶体管需要能在控制电路或者传感器中忍受高温工作一个月以上才可以进行实际应用。通过小组研究表明设备工作两个月后，仍然可以稳定运行，并具有更高的阈值电压，更低迁移和更低的迁移率随温度的变化率。

研究人员下一步的研究着眼于高温二硫化钼晶体管和电路的功能特性，以及采用的化学气相沉积等工业方法制备材料。

 

新材料在线编译整理—— 翻译：赵欢