原子保护伞：2D量子材料的第一个保护层

随着硅基计算机芯片在寻求更快、更小的设计方面接近其物理极限，寻找在原子尺度上保持功能的替代材料是科学面临的最大挑战之一

在一项突破性的发展中，维尔茨堡-德累斯顿卓越集群的研究人员设计了一种保护膜，可以保护只有一个原子厚的量子半导体层免受环境影响，而不会损害其革命性的量子特性。这使得这些精细的原子层在超薄电子元件中的应用触手可及。研究结果已发表在《自然通讯》上

2D量子材料而不是硅

随着晶体管（其基本组件）缩小到越来越小、越来越紧凑的尺寸，制造越来越快、越来越强大的计算机芯片的竞赛仍在继续。几年后，这些晶体管将只测量几个原子——到那时，目前使用的硅技术的小型化将达到其物理极限。因此，寻找具有全新性能的替代材料对未来的技术进步至关重要

2021年，来自维尔茨堡大学和德累斯顿大学量子物质卓越集群ct.qmat-Complexity and Topology的科学家们做出了一项重大发现：拓扑量子材料，如茚，在超快、节能电子领域有着巨大的前景。由此产生的极薄量子半导体由单个原子层组成——在茚能的情况下是铟原子——并充当拓扑绝缘体，沿着其边缘几乎没有电阻地导电

“生产这样一个单一的原子层需要复杂的真空设备和特定的基底材料。要在电子元件中使用这种二维材料，需要将其从真空环境中去除。然而，暴露在空气中，即使是短暂的暴露，也会导致氧化，破坏其革命性特性，使其变得无用。”实验物理学家Ralph Claessen教授解释道

Claessen参与该项目的博士生之一Cedric Schmitt解释道：“为了寻找保护涂层，我们花了两年时间寻找一种使用保护涂层保护敏感茚层免受环境因素影响的方法。挑战在于确保这种涂层不会与茚层相互作用。”

这种相互作用是有问题的，因为当不同类型的原子——例如保护层和半导体——相遇时，它们会在原子水平上发生化学反应，改变材料。这不是传统硅片的问题，传统硅片包括多个原子层，使足够多的层不受影响，因此仍然可以工作

克莱森说：“由茚等单个原子层组成的半导体材料通常会被保护膜破坏。这是一个看似无法克服的挑战，激发了我们的研究好奇心。”。为了寻找可行的保护层，他们探索了范德华材料，该材料以荷兰物理学家Johannes Diderik van der Waals（1837–1923）的名字命名

克莱森解释说，“这些二维范德华原子层的特征是原子之间有很强的内部键，而与基底的键很弱。这一概念类似于石墨制成的铅笔芯在纸上的书写方式。石墨是一种碳的形式，原子排列在蜂窝层中。石墨烯层可以很容易地分离。我们旨在复制这一特征。”

维尔茨堡团队使用先进的超高真空设备，对加热碳化硅（SiC）作为茚烯的基底进行了实验，探索了从中形成石墨烯所需的条件。施密特说：“碳化硅由硅和碳原子组成。加热会使碳原子从表面分离并形成石墨烯。”。“然后，我们气相沉积铟原子，将其浸入石墨烯保护层和碳化硅衬底之间。这就是我们的二维量子材料茚的保护层的形成方式。”

这是全球第一次，Claessen和他的团队在ct.qmat的维尔茨堡分公司成功地为二维量子半导体材料制作了一种功能保护层，而不影响其非凡的量子特性。在分析了制造过程后，他们彻底测试了该层的抗氧化和腐蚀保护能力。克莱森高兴地说：“它有效！样本甚至可以暴露在水中而不会受到任何影响。”。“石墨烯层就像我们茚烯的保护伞。”

朝向原子层电子学

这一突破为涉及高灵敏度半导体原子层的应用铺平了道路。超薄电子元件的制造需要在空气或其他化学环境中进行处理。由于发现了这种保护机制，这才成为可能

维尔茨堡的团队现在专注于识别更多可以用作保护层的范德华材料，他们已经有了一些前景。问题是，尽管石墨烯能有效保护原子单层免受环境因素的影响，但其导电性存在短路风险。维尔茨堡的科学家们正在努力克服这些挑战，为明天的原子层电子学创造条件