湖南大学新出一项研究成果，芯片性能提升将有全新方案

来源：长沙晚报网

长沙晚报掌上长沙5月5日讯（全媒体记者 徐运源）芯片性能的提升为大家所关注。近日，湖南大学传出好消息：该校物理与微电子科学学院刘渊教授团队，通过使用范德华金属集成的方法，实现了超短沟道的垂直场效应晶体管，为半导体器件性能的进一步提升提供了全新思路。该项研究成果发表在《自然·电子学》（Nature Electronics）杂志上。

高性能器件的发展，尺寸的持续微缩是必然趋势。然而，近年来，随着器件小型化至纳米尺度，晶体管开始出现迁移率降低、漏电流增大、功耗增加等严重的短沟道效应，这使得传统平行晶体管的微缩方法逼近物理极限。为此，开发新结构的器件引起广大研究者的兴趣。

因为具有天然的短沟道特性，垂直晶体管的研发有望作为一种全新的器件微缩方向。其可以将沟道物理长度缩小至10 nm甚至5 nm以下，而不用依赖于传统的高精度光刻技术。

刘渊教授团队采用低能量的范德华电极集成方式，实现了以二硫化钼作为半导体沟道的薄层甚至单原子层的短沟道垂直器件。研究人员将预制备的金属电极物理层压到二硫化钼沟道的顶部，保留了二维半导体的晶格结构及其固有特性，形成理想的范德华金属-半导体界面。通过对垂直器件进行微缩，垂直晶体管的开关比性能提升了两个数量级。

这种方法还可以运用到其他层状半导体作为沟道上，均实现了小于3 nm厚度的垂直场效应晶体管，证明了范德华电极集成对于垂直器件微缩的普适性。该项研究有望为生产出拥有超高性能的亚3nm级别的晶体管，以及制备其它因工艺水平限制而出现不完美界面的范德华异质结器件，为提升芯片性能提供了一种全新的低能耗解决方案。

据湖南大学公开资料显示，和很多入职湖南大学的85后年轻人一样，刘渊是一名青年教师。他也是2018、2019年入选科瑞唯安高被引学者、2018年《福布斯》中国评选出的“30位30岁以下精英”之一，《麻省理工评论》中国评选出的“35岁科技创新35人”之一。他想要做出理想的半导体器件，让挑战摩尔定律迎来曙光。

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钼：一种神奇的金属元素，很难想象它是如何将钢板切开的

线切割你一定听说过，但不一定见过吧，它属于机床电加工的一种，主要用于模具，复杂形状或微细结构等产品的加工，在切割过程中使用的工具是一条细线，依靠放电产生几千摄氏度高温来熔化金属。

切割金属的过程就好像用线切豆腐一样轻松，可以在切割时随意360°转向，可切割出任意形状的加工产品，线切割机虽然是由苏联人发明的，但我国是第一个将其应用于工业加工的国家。

线切割加工时那条发丝般的细线，就是一种由钼等贵金属制造而成的耗材，线切割又分快走丝（用钼丝），慢走丝（用铜丝）。

钼丝不但能够对各种金属进行加工，还广泛应用于绕丝芯线，引出丝，加热元件等，钼丝的精度要求很高，断线发生率低，加工速度快，可实现稳定长时间连续加工。

线切割原理

当看到线切割加工时，很长一段时间，我一直以为是钼丝与工件硬碰硬，活生生被锯开的呢，别笑，真是这么想的，其实呢，真正的切割原理跟我想象的相差十九万八千里。

线切割是利用连续移动的细金属丝作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。

通俗的说就是这根丝通电，还在不停的走动，对工件放电，瞬间产生几千度的高温，把放电的那一部分熔化或者气化了，这样就切开了，注意：不是硬碰硬的切，也不是金属丝本身产生高温去切，而是放电，让工件产生高温，自己熔化和腐蚀。

钼丝的主要成分是钼（Mo)，含量在99%以上，钼在自然界中主要存在于辉钼矿（MoS2)中。

辉钼矿在很长一段时间里都被当作石墨，这种柔软的灰色矿物，在18世纪由舍勒提出辉钼矿本身不是一种石墨，而是某种金属矿石，他还试图还原纯的金属钼，但是当时没有达到所需温度的炉子，多年后由海基尔姆成功的还原出这种银白色金属钼。

钼是一种银白色的坚硬金属，具有熔点高，延展性好的特点，其熔点可达2620摄氏度，沸点为4639摄氏度，在天然存在的元素中，只有钽，锇，铼，钨和碳有高于钼的熔点，即便将它烧红了仍然能保持一定的硬度；并且钼的化学性质也很稳定，不会被盐酸，碱所腐蚀。

在外观上金属钼与钨非常相似，但通过密度还是很容易被分辨出来，钼的密度只有钨的一半。

常温下的金属钼是很稳定的，在空气中加热钼棒，当温度升高钼会很快氧化，生成黄色的三氧化钼（MoO3）,随着氧化钼的厚度不同，它也会呈现出五彩斑斓的颜色，当物体与钼产生摩擦，其颗粒在空气中自燃也会形成三氧化钼，三氧化钼可用于生产钼的重要化工产品---钼酸铵，它是制造陶瓷釉彩，颜料及其他钼化合物的原料。

钼是地球上的一种稀有金属，我们对它即陌生又熟悉，它与我们的生活息息相关，应用非常广泛，它既是用于国防工业中的战略金属，又是动植物所需要的重要营养元素，还是钢铁合金的重要成份。

目前世界上所生产的钼，80%以上用于钢铁冶炼，主要作为钢铁的添加剂用于生产合金钢，可以提高合金钢的强度，韧性和耐磨性等，因具有良好的机械稳定性，高延展性而被用于高发热元件（灯泡中挂发光钨丝的钩子材料就是钼 ），挤压模具，金属加工工具，航空航天器零件等。

钼作为一种稀有金属，全世界的储量主要集中在中国和俄罗斯等少数国家，由于添加了钼的合金材料性能好，已成为军工武器上不可或缺的材料，用于战舰，坦克等武器制造中，各国纷纷将其列为战略金属。

图片来源：pixabay

另外二硫化钼被誉为“高级固体润滑油”，它是一种良好的固体润滑剂，因为它的摩擦系数低，屈服强度很高，能在真空及各种超低温，高温下正常使用，因而被广泛应用于齿轮，模具，核工业等。

在电子电器领域，钼具有良好的耐高温性和导电性，热膨胀系数也较低，是理想的线切割电极丝，能切割各种钢材以及硬质合金，其放电加工稳定，能有效提高加工产品的精度，二维（厚度在几纳米到几十纳米的薄层）二硫化钼还有可能成为下一代晶体管材料，取代硅材料成为下一代集成电路所广泛使用的材料。

钼成为植物的营养液也是偶然被发现的，在新西兰的草场上人们发现一个特殊的情况，全草场的草几乎全部枯黄没有一点生机，但是穿过草场的一条小路两侧的草却生机盎然，经过人们的研究发现，这条小路是附近一个钼矿工人必经之路，钼矿工人身上携带的钼粉会散落在这条路上，造成了这条小路上的草生长得更好，人们将钼粉融入肥料中撒在草场上，果然印证了这个结果。

图片来源：pixabay

钼的生物属性也很重要，它不仅是植物同时也是动物和人体必须的微量元素，能提高人体免疫功能，但含量过高也会对人体造成伤害。

钼以其独特的性能，它不仅是沙场硬汉，金属的催化剂，还是生命的营养液 ，钼也证明了它是多才多艺的金属，随着钼的应用越来越广，还会有更多的功能被开发出来，钼在社会中的作用将更大。

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