7年前，硅烯只是理论家的梦想。出于对石墨烯的巨大兴趣－只有一个原子厚的蜂窝状结构的碳材料－研究人员推测硅原子可能会形成类似的片状结构。如果它们可以用于电子器件，预示着硅烯可以使半导体产业做到极致的小型化。

本周，通过揭开第一个硅烯晶体管的细节，研究人员朝这个梦想前进了一大步。

“虽然该设备性能很普通，其寿命也只有几分钟，但是这个概念已经在会议上引起轰动。”德克萨斯大学奥斯汀分校的纳米材料研究人员、同时也是该晶体管工作的参与者Deji Akinwande说。该工作也受到了来自法国马赛大学的Guy Le Lay的肯定。

“没有人预料到，在这么短的时间内，可以用过去不存在的东西制备晶体管。”他说。

Le Lay是2012年首批在实验室创造硅烯的科学家之一。大家普遍意识到，石墨烯不适合做晶体管。石墨烯可能是世界上导电性能最好的物质，但它缺少一个重要特点：和电脑中的半导体不同，它缺少一个带隙－电子在形成电流之前必须跨过的能量壁垒。带隙使半导体器件导通或断开，并执行“逻辑”位操作

“石墨烯是不能用于逻辑应用的。” Le Lay说。相反，硅烯可以拥有一个带隙，因为它的一些原子向上形成波纹，这使它的一些电子的能量状态稍有不同。更重要的是，电子芯片制造商对抛弃数十年的硅制造经验一直持谨慎态度，南卡罗来纳州查尔斯顿军事学院的Lok Lew Yan Voon说。Lok Lew Yan Voon在2007年首次对硅烯命名并对其特性建立模型。

但是在实验室操作硅烯一直是巨大的挑战。这种材料不能使用胶带从固体上剥离得到，不像石墨烯可以从散装石墨获得。研究人员通过在真空室中使硅原子的热蒸汽在银的晶体表面凝结从而得到它，这是一个非常复杂的过程。和石墨烯不同，裸露的硅烯在空气中非常不稳定，因而难以转移到基片上－如晶体管的胆。就在去年，一些研究人员仍然质疑硅烯是否存在。

因此Akinwande加入了Alessandro Molle在意大利Agrate Brianza的微电子与微系统研究所，以便能保护硅烯。他们在银薄层表面形成硅烯片，在表面又加上了5纳米厚的铝层。然后，他们剥去云母基底，使它翻转朝上，并将其置于氧化硅衬底上。最后，他们轻轻地剥去一些银，露出两块金属区域形成电极，并使它们之间形成硅烯的条带区域。

“这是一种非常聪明的处理方式。” Le Lay说。Le Lay正计划用锗烯尝试该过程，锗烯是由其团队在去年创造的、锗制成的一个善变的、相似结构的“二维”材料。

虽然这种方式很巧妙，但这种晶体管短期内不会出现在手机中：裸露的硅烯大约会在两分钟内降解。同样的，测试其性能也需要很长时间。虽然其电子转移速度比不上石墨烯，但是该装置确实有一个小的带隙。

在这种硅烯晶体管表面覆盖一层保护物质可以延长其寿命。Akinwande使用聚四氟乙烯来保护磷烯片－另一种由磷制成的、对空气敏感的二维物质－可以存活数月。其他研究人员已经表明，使用多层硅烯时可以在牺牲顶层硅烯的条件下，使其寿命延长到24小时。重要的是，制造硅烯晶体管技术现在可用于验证所有这些想法，甚至也可用于各种空气敏感材料。“毫无疑问，它就是一个游戏规则改变者，” Lew Yan Voon说道，“这就是我们在等待的一刻。”

并不是所有的人都对硅烯的大好前景充满热情。“虽然对于硅烯，锗烯，磷烯谈论了这么多，但是其困难也相当大。”瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学的Jari Kinaret说。Jari Kinaret是欧盟的石墨烯项目－一个超过10亿欧元的研究二维材料及其实际应用的项目－的主任。

然而，Le Lay认为研究人员将会集中研究硅烯。“如今我们已经制备了一个装置，”他说，“其他科学家会发现这并不是一个梦，这是可以实现的。”

 

新材料在线编译整理—— 翻译：杨超