前沿科技之科學家研制出穩定單原子層鍺

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據物理學家組織網4月10日報道，60年前，鍺被用來做成了第一塊晶體管，但隨后被硅取代，現在，美國科學家首次成功制造出了單原子厚度的鍺——單鍺（germanane），其電子遷移率是硅的10倍，因而有望取代硅用于制造更好的晶體管。研究發表在最新一期的美國化學會《納米》雜志上。

8 Q$ P5 U0 t* E& l4 _4 s單鍺的結構同由單層碳原子組成的二維結構的石墨烯有異曲同工之處，石墨烯目前是世上最薄、最堅硬也是電阻率最小的納米材料，因此被期待用于制造更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管，但目前石墨烯還沒有被商用。

: A$ p3 P. h# Q- P" M1 X8 P' ]俄亥俄州立大學化學系的助理教授約書亞·戈德伯格表示：“很多人將石墨烯看成是未來的電子材料，但硅和鍺目前仍占據芯片制造的主流，因此，我們一直在尋找具有獨特形式的硅和鍺，其性能更優異、制造成本更低且可以用現有技術處理。最終，我們制造出了穩定的單原子層的鍺——單鍺。”

此前研究人員就嘗試過制造單鍺，但這是首次成功地制造出足夠數量的單鍺來詳細研究其屬性；而且他們也證明，當接觸空氣和水時，單鍺的性能仍能保持穩定。

在自然界中，鍺很容易形成多層晶體，其中的每個原子層緊緊依附在一起，這就使單原子層鍺的性能不穩定。為了解決這個問題，戈德伯格團隊首先制造出了多層的鍺晶體，并在每層之間擠入了一些鈣原子，接著用水將鈣溶解，并用氫原子填滿留下的化學鍵，最后剝下了單層鍺。

填充了氫原子的單鍺的化學穩定性比傳統硅要好，不會像硅那樣在空氣和水中氧化，這就使得單鍺很容易使用傳統的芯片制造技術進行處理。而且，單鍺擁有“直接帶隙”，這意味著它很容易吸收或釋放光；而傳統的硅和鍺則擁有間接帶隙，很難吸收或者釋放光，這就使得單鍺能在光電子學領域大有作為。科學家們解釋道：“如果你想在一塊太陽能電池上使用擁有間接帶隙的材料，你必須使該材料變得很厚，而擁有直接帶隙的物質能做同樣的工作，厚度僅為其百分之一。”

1 O" P  Y. q  x* X* s3 Y! {科學家們的計算表明，單鍺的電子遷移率是硅的10倍、傳統鍺的5倍，因此有望用于制造高能計算機芯片。戈德伯格說：“高電子遷移率非常重要，只有用遷移率更高的材料才能制造出運行速度更快的計算機芯片。當晶體管變得更小，也需要使用遷移率更高的材料，否則晶體管會‘罷工’。”

該研究團隊接下來打算探究如何通過改變單層中原子的組合方式來改進單鍺的屬性。