2D Materials综述: 电子级2D材料的路线图


【背景介绍】

二维(2D)材料自2004年被首次报道以来,其为纳米级和原子级器件的研发提供了广泛的材料平台。在过去十年里,该领域的研究重点是2D半导体,因为通过操纵维度、基板工程、应变和掺杂可以调整其电子特性。其中,二硫化钼(MoS2)和二硒化钨(WSe2)由于其原子级厚度以及相对容易堆叠而改变结构,使得它们在电子技术领域具有巨大的研究价值。要想大规模的2D层合成和工程技术的进步则必须在晶圆尺度上实现“剥落质量”的2D层,但是要在晶圆尺度上得到2D层还存在重大挑战。

【成果简介】

近日,宾夕法尼亚大学帕克分校的Joshua A Robinson教授(通讯作者)团队报道了一篇关于电子级2D材料的路线图的综述。该路线图旨在通过识别可能对2D层产生影响的关键技术,以克服在晶圆尺度上实现“剥落质量”2D层的困难。此外,作者还讨论了如何实现电子级2D材料的合成与控制层数工程。作者也专注于三个必须在实验和计算中大量进行的基本研究领域,以实现用于电子和光电子应用的高质量材料。研究成果以题为“A roadmap for electronic grade 2D materials”发布在国际著名期刊2D Materials上。

【全文解读】

1、2D材料的发展概况和挑战

虽然作者的这个路线图并未详细的描述2D材料未来的研究方向,但是它有助于理解2D材料的关键技术,对其未来发展会产生很大的影响。该路线图还建立了实现每项此类技术的具体指标。对于过滤膜而言,其重要指标则是化学稳定性、孔隙率等方面。同时2D材料的大规模制造尚处于起步阶段,所以2D材料的发展还需要识别关键技术的影响因素。因此,本文利用一系列手段来识别2D材料技术的影响因素。

1.1、高性能和高能效计算

高性能计算(HPC)是指处理能力和存储容量的组合,可以解决远远超过当前一亿亿次浮点运算系统的计算问题系统。以开发出“百亿亿次级计算系统”,且其运行速度为千万亿次浮点运算,达到数十亿次数据。目前需要更高的速率进行更大量的数据处理,同时能耗更少并继续缩小微处理器的尺寸。因此,在材料和计算系统中新的方法对于改善计算能力、数据存储容量、高能效、通信速度、可靠性和CMOS处理兼容性就显得至关重要。结合之前的研究报道,研究人员开发出了一系列具有高性能和低功耗器件技术的可扩展2D材料。

图一
(a)总结了这些技术基于32位算法的开关能量与延迟基准;(b)总结了基于32位算法在2019和2028节点的能量延迟指标。

1.2、廉价的太阳能

众所周知,在不到一个半小时,地球表面接收的太阳能量就超过了全世界每年的能源消耗量。近几十年来为了尽可能的利用太阳能,在半导体领域出现一些最具吸引力的应用都集中在收集太阳能以发电或发生光电化学方面。虽然该领域开发的所有技术的目标相同,但是每种技术从阳光中获取电力的机制却不同。此外,太阳能技术的实际使用比其他能源技术要低几个数量级,因此必须寻求新的材料和技术以克服这个问题。同时,在开发实用太阳能技术需要考虑成本问题。根据调查研究发现2D材料将为低成本的能量收集提供新的途径,特别是在柔性和可拉伸市场领域。具有制造成本低、可拉伸性和化学稳定性等优异性能的2D材料非常适用于未来的光伏市场。

图二、展示了未来几十年美国和世界光伏发电能力的变化。

1.3、物联网

物联网(IoT)是一个庞大的网络,它使用嵌入式编程、大数据分析和高速通信所支持的算法来感知和存储信息,并对这些信息进行通信和/或操作。目前,物联网已经在医药和医疗保健、企业文档等众多领域得到广泛应用。通过开发“智能”的物联网,将对可穿戴技术以及汽车、工业、零售、农业和医疗保健行业产生最明显的影响。其中,对于消费者而言,最能直接体验到的应该是智能恒温器、灯、冰箱和门锁等智能家居方面。总之,根据市场研究预测物联网连接总数将从2015年的60亿增长到2025年的270亿。由于2D材料具有超薄的外形,所以非常适用于物联网硬件平台,特别是对于超薄的、柔性/可拉伸的领域。同时,2D材料可以应用于有源元件,在物联网硬件平台的开关、光电