通过超级计算机的“模拟显微镜”仿真，创建新一代的晶体管材料

自从发现石墨烯以来，二维材料一直是材料研究的重点。二维材料，是指电子仅可在两个维度的纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼切斯特大学Geim 小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯(graphene) 而提出的。

纳米材料是指材料在某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米尺度。纳米材料可以分为零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。零维材料是指电子无法自由运动的材料，如量子点、纳米颗粒与粉末。

二维材料其它应用外，它们还可用于制造微型高性能晶体管。苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院的研究人员现在已经模拟并评估了一百种可能的材料，并发现了13种有前途的候选材料。

随着电子部件的小型化日益增加，研究人员正为所带来的负面作用而苦苦挣扎：在用常规材料(如硅)制成的纳米级晶体管的情况下，会发生量子效应，从而削弱其功能。例如，这些量子效应之一是额外的泄漏电流，即流经“误流”而不通过源极和漏极触点之间提供的导体的电流。据信摩尔定标定律指出，每单位面积集成电路的数量每12-18个月加倍，由于有源元件的小型化带来的挑战越来越大，摩尔定标定律将在不久的将来达到极限。这最终意味着，由于量子效应，不再能够使当前制造的几乎配备了每台超级计算机的称为FinFET的硅基晶体管变得更小。

苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院洛桑分校的研究人员进行的一项新研究表明，可以使用新的二维材料解决这样的问题，这就是他们在“Piz Daint”上进行的模拟超级计算机建议。Piz Daint是位于瑞士国家超级计算中心(CSCS)的超级计算机，以瑞士阿尔卑斯山的Piz Daint山命名。

在2018年，该研究小组发现石墨烯后14年来首次明确表明可以生产二维材料，他们在“Piz Daint”上进行了复杂的模拟，筛选出超过10万种材料;他们提取了1,825个有希望的组件，可以从中获得二维材料层。

研究人员从这1,800多种材料中选择了100种候选材料，每种材料都由一个原子单层组成，可能适用于构建超大规模场效应晶体管(FET)。他们在显微镜下研究了其性能。换句话说，他们使用超级计算机“Piz Daint”首先使用密度泛函理论确定这些材料的原子结构。然后，将这些计算与所谓的量子传输求解器(Quantum Transport solver)相结合，以模拟流过虚拟产生的晶体管的电子和空穴电流。所使用的量子传输模拟器是由该研究团队与另一个研究团队共同开发的，其基本方法于去年获得了戈登·贝尔奖。戈登贝尔奖(ACM Gordon Bell Prize)。是美国计算机协会于1987年设立的、每年颁发的一种超级电脑应用软件设计奖。

晶体管生存能力的决定性因素是电流是否可以通过一个或多个栅极触点最佳控制。由于通常比纳米薄的二维材料的超薄特性，单个栅极触点可以调节电子流和空穴电流，从而完全打开和关闭晶体管。

研究人员强调：“尽管所有二维材料都具有这种特性，但并不是所有的材料都适合逻辑应用，只有那些在价带和导带之间具有足够的带隙的材料。”具有合适带隙的材料可防止所谓的电子隧穿效应，从而防止电子引起的漏电流。研究人员正是在模拟中寻找这样的材料。

他们的目标是找到可以提供每微米大于3毫安电流的二维材料，既可以作为电子传输的n型晶体管，也可以作为空穴传输的p型晶体管，并且其沟道长度可以小到厚度只为5纳米，而不会影响开关性能。研究人员说：“只有满足这些条件，基于二维材料的晶体管才能超越现在超级计算机所使用的称为FinFET的硅基晶体管。”

考虑到这些方面，研究人员确定了13种可能的2D材料，可以用它们来构建未来新一代的晶体管，并且还可以使摩尔定律得以延续。其中一些材料是已知的，例如黑磷即HfS2，但研究人员强调其它材料却是全新的，例如Ag2N6或O6Sb4。

研究人员表示：“由于我们的超级计算机的“模拟显微镜”的仿真，我们创建了最大的晶体管材料数据库之一。基于这些研究结果，我们希望激发研究人员使用二维材料剥落新晶体并创建下一代逻辑开关。”我们相信，基于这些新材料的晶体管可以替代由硅或目前流行的过渡金属硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenide)制成的晶体管。

该最新研究成果论文发表在最近的顶尖纳米期刊《ACS Nano》杂志上。