检测未来技术中的缺陷：这项研究增强了对下一代芯片可能候选芯片的理解

半个多世纪以来，硅计算机芯片一直为我们提供良好的服务。目前出售的芯片上最微小的功能大约是3纳米——考虑到人类头发大约有80000纳米宽，这个尺寸小得惊人。减少芯片上功能的大小将帮助我们满足对更多内存和处理能力的无尽需求。但标准材料和工艺所能达到的极限已经接近了

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员正在应用他们在物理、化学和计算机建模方面的专业知识，创造下一代计算机芯片，旨在生产具有较小功能的芯片的工艺和材料

PPPL的副研究物理学家Shoaib Khalid说：“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。现在，许多公司正在对由二维材料制成的芯片进行大量投资。”。这些材料实际上存在于三维空间中，但它们非常薄——通常只由几层原子组成——以至于科学家们将其称为2D

Khalid与PPPL的Bharat Medasani和特拉华大学的Anderson Janotti一起研究了一种潜在的硅替代物：一种被称为过渡金属二硫族化合物（TMD）的2D材料。他们发表在《2D材料》杂志上的论文详细介绍了TMDs原子结构中可能发生的变化，以及它们发生的原因以及它们如何影响材料

有关这些变体的信息为改进创建下一代计算机芯片所需的过程奠定了基础。最终，目标是设计基于等离子体的制造系统，可以制造出符合应用所需精确规格的TMD基半导体

TMD：一个微小的金属夹层

TMD可以薄到三个原子高。把它想象成一个小小的金属三明治。面包是由一种硫属元素制成的：氧、硫、硒或碲。填充物是一层过渡金属——元素周期表中第3族至第12族的任何金属

大块TMD具有五层或五层以上的原子。原子排列成晶体结构或晶格。理想情况下，原子在整个晶格中以精确和一致的模式组织

实际上，在图案中可以发现微小的变化。图案中的一个点可能缺少一个原子，或者可能在一个奇怪的位置找到一个原子。科学家称这些变化为缺陷，但它们可以对材料产生有益的影响

例如，一些TMD缺陷可以使半导体更具导电性。无论好坏，科学家们必须了解缺陷发生的原因以及它们将如何影响材料，以便在必要时结合或消除这些缺陷。了解常见缺陷也使研究人员能够解释过去TMDs实验的结果

哈立德说：“当制造块状TMD时，它们会有多余的电子。”他补充说，研究人员不确定为什么会出现这些多余的带负电的粒子。“在这项工作中，我们解释了过量电子可能是由氢引起的。”

研究人员在计算了形成不同类型TMD缺陷所需的能量后得出了这一结论。他们研究了涉及硫族空位的缺陷，这些缺陷以前已知存在于TMDs中，以及涉及氢的缺陷，因为这种元素经常存在于芯片制造过程中

研究人员特别感兴趣的是找出哪些缺陷需要最小的形成能量，因为这些缺陷很可能发生——它们发生不需要太多能量

研究小组随后调查了每个低形成能缺陷的作用。具体来说，他们想知道每个缺陷配置可能如何影响材料的电荷

研究人员发现，其中一种涉及氢的缺陷配置提供了多余的电子，从而产生了带负电的半导体材料，称为n型。计算机芯片是使用n型半导体材料和带正电或p型材料的组合制成的

揭示缺失的硫族元素

本文中探索的另一种类型的缺陷被称为硫族元素空位：根据TMD的类型，缺失的氧、硫、硒或碲原子。研究人员专注于解释过去对大块TMD材料二硫化钼薄片的实验结果

包括在TMD上照射光的实验显示，来自TMD的光的频率出乎意料。研究人员发现，这些意想不到的频率可以用与硫族元素空位相关的电子运动来解释

“这是一种常见的缺陷。他们在生长TMD膜时，经常可以从扫描隧道显微镜的图像中看到它，”Khalid说。“我们的工作提供了一种研究大块TMD中这些空位存在的策略。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。”

研究人员建议的过程包括使用称为光致发光的测量技术分析TMD的缺陷，以查看材料发射的光的频率。光的峰值频率可用于确定TMD中原子的电子构型和硫属元素缺陷的存在

该期刊文章包括关于五种具有硫族空位的TMD（包括二硫化钼）将发射的频率的信息。因此，这些结果为在未来的实验中研究硫族元素空位提供了指导 More information: Shoaib Khalid et al, Role of chalcogen vacancies and hydrogen in the optical and electrical properties of bulk transition-metal dichalcogenides, 2D Materials (2024). DOI: 10.1088/2053-1583/ad4720