據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)4月10日報道，60年前，鍺被用來做成了第一塊晶體管，但隨后被硅取代，現(xiàn)在，美國科學(xué)家首次成功制造出了單原子厚度的鍺——單鍺（germanane），其電子遷移率是硅的10倍，因而有望取代硅用于制造更好的晶體管。研究發(fā)表在最新一期的美國化學(xué)會《納米》雜志上。
單鍺的結(jié)構(gòu)同由單層碳原子組成的二維結(jié)構(gòu)的石墨烯有異曲同工之處，石墨烯目前是世上最薄、最堅硬也是電阻率最小的納米材料，因此被期待用于制造更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管，但目前石墨烯還沒有被商用。
俄亥俄州立大學(xué)化學(xué)系的助理教授約書亞·戈德伯格表示：“很多人將石墨烯看成是未來的電子材料，但硅和鍺目前仍占據(jù)芯片制造的主流，因此，我們一直在尋找具有獨(dú)特形式的硅和鍺，其性能更優(yōu)異、制造成本更低且可以用現(xiàn)有技術(shù)處理。最終，我們制造出了穩(wěn)定的單原子層的鍺——單鍺。”
此前研究人員就嘗試過制造單鍺，但這是首次成功地制造出足夠數(shù)量的單鍺來詳細(xì)研究其屬性；而且他們也證明，當(dāng)接觸空氣和水時，單鍺的性能仍能保持穩(wěn)定。
在自然界中，鍺很容易形成多層晶體，其中的每個原子層緊緊依附在一起，這就使單原子層鍺的性能不穩(wěn)定。為了解決這個問題，戈德伯格團(tuán)隊(duì)首先制造出了多層的鍺晶體，并在每層之間擠入了一些鈣原子，接著用水將鈣溶解，并用氫原子填滿留下的化學(xué)鍵，最后剝下了單層鍺。
填充了氫原子的單鍺的化學(xué)穩(wěn)定性比傳統(tǒng)硅要好，不會像硅那樣在空氣和水中氧化，這就使得單鍺很容易使用傳統(tǒng)的芯片制造技術(shù)進(jìn)行處理。而且，單鍺擁有“直接帶隙”，這意味著它很容易吸收或釋放光；而傳統(tǒng)的硅和鍺則擁有間接帶隙，很難吸收或者釋放光，這就使得單鍺能在光電子學(xué)領(lǐng)域大有作為。科學(xué)家們解釋道：“如果你想在一塊太陽能電池上使用擁有間接帶隙的材料，你必須使該材料變得很厚，而擁有直接帶隙的物質(zhì)能做同樣的工作，厚度僅為其百分之一。”
科學(xué)家們的計算表明，單鍺的電子遷移率是硅的10倍、傳統(tǒng)鍺的5倍，因此有望用于制造高能計算機(jī)芯片。戈德伯格說：“高電子遷移率非常重要，只有用遷移率更高的材料才能制造出運(yùn)行速度更快的計算機(jī)芯片。當(dāng)晶體管變得更小，也需要使用遷移率更高的材料，否則晶體管會‘罷工’。”
該研究團(tuán)隊(duì)接下來打算探究如何通過改變單層中原子的組合方式來改進(jìn)單鍺的屬性。