許多工業(yè)領(lǐng)域要求電子器件能夠在嚴(yán)酷的環(huán)境中穩(wěn)定正常的工作,包括200攝氏度以上的超高溫環(huán)境。航空航天工業(yè)中的渦輪發(fā)動機，石油和天然氣工業(yè)中鉆井操作所需的電子器件和感應(yīng)器都需要在超高溫環(huán)境下工作。盡管傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)能夠幫助電子器件在高溫時正常工作，但在有些領(lǐng)域，冷卻的方法并不適用—或者說為了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和成本的降低，人們更希望電子器材能在高溫條件下工作。但是，在高溫下能正常工作的晶體管和電子線路卻是極少的。
近日，來自美國加州大學(xué)河濱分校和倫斯勒理工學(xué)院的一組研究人員發(fā)現(xiàn)一種學(xué)名為二硫化鉬(MoS2)的半導(dǎo)體材料有望用來制作高溫條件下的薄片晶體管。在本周發(fā)表在美國物理聯(lián)合會出版的《應(yīng)用物理雜志》的一篇文章中，研究者們報道了二硫化鉬薄片晶體管的制作過程及其在高溫時的功能特性，展示了該材料可用于制作耐高溫電子元件的潛力。
“我們的研究表明該薄片晶體管至少在500開爾文(220攝氏度)高溫情況下依然能正常工作，”加州大學(xué)河濱分校電子工程系的教授和該研究組的領(lǐng)頭人Alexander Balandin說。“并且該晶體管在兩個月后仍展示出穩(wěn)定的工作性能，這表明二硫化鉬薄片晶體管有潛力被應(yīng)用于耐高溫的電子器件和感應(yīng)器中。”
二硫化鉬的原礦石是輝鉬礦，這種礦石大量地存在于自然界中，通常是被用作潤滑劑的添加成分。通過化學(xué)氣相沉積的方法獲得的二硫化鉬可被用來制作柔韌的薄片晶體管--一種如水龍頭一樣可控制電子和電流的運動的元件。
據(jù)Balandin所說，二硫化鉬屬于范得華材料家族，其結(jié)構(gòu)特點是構(gòu)成晶體結(jié)構(gòu)的原子層之間的結(jié)合力很弱（這種結(jié)合力也被稱為范得華力）。 層與層之間弱的相互作用使得材料可以被逐層的剝落，類似于石墨的單原子層可從整塊的石墨上被剝離一樣。 層狀結(jié)構(gòu)也表明高質(zhì)量的超薄層可通過工業(yè)生產(chǎn)中的化學(xué)氣相沉積的方法獲得。
“盡管傳統(tǒng)寬能帶的半導(dǎo)體如碳化硅或氮化鎵制成的器件也可以延伸到高溫條件下操作，但是這些材料因造價較高而不適用于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)，”Balandin說。“單層二硫化鉬的能帶寬是1.9電子伏特，比碳化硅或氮化鎵的還要大，更適用于工業(yè)生產(chǎn)。”寬能帶意味者元件能夠快速地開啟和關(guān)閉，這是晶體管所需具備的一項非常重要的特性。
一種倍受關(guān)注的新材料
近年來，二硫化鉬在儀器制造和應(yīng)用方面引起了廣泛關(guān)注，Balandin的團隊首次研究了該材料在耐高溫電子器材方面的應(yīng)用潛力。
在高溫實驗中，Balandin的研究組在潔凈實驗室使用標(biāo)準(zhǔn)的平板印刷技術(shù)將二硫化鉬晶體管制作在硅襯底上。有的晶體管只有幾個原子層的厚度（如1-3層），有的則有多層的厚度（15-18層）。Balandin說，他們的實驗表明，相對厚層的薄片更具有溫度上的穩(wěn)定性，并且隨著溫度的升高展現(xiàn)出更高的載流子遷移率。
通過直流測量，即在系統(tǒng)中持續(xù)一段時間加載穩(wěn)定的電流和電壓，研究者們研究了溫度從300開爾文上升到500開爾文時晶體管的電流電壓特征曲線也即功能特性。
“載流子遷移率和閾值電壓都會隨著溫度的升高而降低，”Balandin說。“載流子遷移率的降低會導(dǎo)致通過元件通道的電流降低，而閾值電壓的降低則會造成電流的升高。因此，電流隨著溫度的升高具體表現(xiàn)如何則取決于載流子遷移率和閾值電壓同時降低時相互作用的結(jié)果。”
研究者們觀察到的另一個有趣的現(xiàn)象是在電流電壓特征曲線中，當(dāng)溫度上升到450開爾文時，靠近零電壓的位置有一個特性“結(jié)”。這種體現(xiàn)材料“記憶效應(yīng)”的特征結(jié)在石墨晶體管和電子玻璃中也曾被類似地觀察到過，這一現(xiàn)象表明該材料有望用來制作耐高溫感應(yīng)器。
Balandin說，在實際應(yīng)用中，高溫條件下的電子線路和感應(yīng)器要求二硫化鉬晶體管至少能連續(xù)工作一個月之久。研究組在兩個月之后再次檢測了二硫化鉬晶體管的工作性能，發(fā)現(xiàn)它依然能實現(xiàn)穩(wěn)定操作，且具有更高的閾值電壓，更低的載流子遷移率，且遷移率對溫度的依賴性也更弱。
研究者們下一步的計劃是研究用工業(yè)中的化學(xué)氣相沉積法制作的二硫化鉬晶體管和電路在高溫條件下的的工作性能。