[圖]科學家設計出基於2D材料的堆疊結構 可降低電路設計復雜性和功耗

科學家近日設計了一種基於 2D 材料的多層堆疊結構，通過將二硫化鎢（WS2）層夾在六方氮化硼（hBN）層中，能夠讓連續 WS2 層顯示出長距離相互作用特性，具有降低電路設計復雜性和功耗的潛力。二維材料由於其豐厚的電子性能，使其在光伏、半導體和水淨化等領域得到應用，受到材料科學家的青睞。特別是二維材料相對的物理和化學穩定性，使其可以相互「疊加」和「集成」。

相關論文：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08133

理論上，二維材料的這種穩定性使得基於二維材料的結構的製造成為可能，如耦合「量子阱」(CQWs)，這是一個由相互作用的勢能「wells」組成的系統，或者說是擁有極少能量的區域，只允許被困在其中的粒子獲得特定的能量。

CQWs 可用於設計諧振隧道二極管，這種電子器件表現出電壓隨電流的負變化率，是集成電路的重要組成部分。這種芯片和電路是模擬生物大腦中負責記憶存儲的神經元和突觸的技術中不可或缺的一部分。

來自大邱慶北科技學院(DGIST)的 Myoung-Jae Lee 博士領導的研究團隊設計了一種 CQW 系統，在兩個六邊形氮化硼(hBN)層之間堆疊一個二硫化鎢(WS2)層。Lee 博士表示：「hBN是一種近乎理想的二維絕緣體，具有高化學穩定性。這使得它成為與WS2集成的完美選擇，WS2是已知的2D形式的半導體」 。他們的成果刊發在《ACS Nano》上。

研究小組測量了 excitons—bound 系統的能量，並將其和雙層 WS2 架構進行了對比。該系統整合了電子（electron）、電子空穴（absence of electron），以及為 CQW 的 trions，此外他們還測量了單個CQW的電流-電壓特性，以描述其行為。

隨着 Stakes 的增加，exciton 和 trion 都會逐漸下降，而雙層 WS2 會突然下降。他們將這些觀察結果分別歸因於長程井間相互作用和在沒有 hBN 的情況下 WS2-WS2 的強相互作用。電流-電壓特性證實了它的行為像一個諧振隧道二極管。

那麼這些結果對未來的電子學有什麼影響呢？ Lee 教授總結道：「我們可以利用諧振隧道二極管來製作多值邏輯器件，這將大大降低電路復雜度和計算功耗。這反過來又可以帶動低功耗電子產品的發展」。

這些發現肯定會給電子行業帶來革命性的變化，極低功耗的半導體芯片和電路，但更令人激動的是這些芯片能把我們帶到哪里去，因為它們可以被應用於模擬神經元和突觸的應用中，而神經元和突觸在生物大腦的記憶存儲中起着重要作用。因此，這種 “二維視角 “可能是人工智能領域的下一個大事件!

來源：cnBeta