5 июня исследовательская группа под руководством Токийского университета (Япония) успешно получила однослойные полупроводниковые нанотрубки из дисульфида молибдена диаметром всего 1 нм, что примерно в сто тысяч раз тоньше человеческого волоса. Результаты опубликованы в журнале Science и считаются одними из самых маленьких полупроводниковых нанотрубок в мире, открывая новые экспериментальные пути для создания сверхмалых полупроводниковых каналов, микроэлектронных устройств следующего поколения и исследований материалов на наномасштабе.
Ключевой прорыв этой работы заключается в том, что исследователи не пошли по традиционному пути синтеза нанотрубок, а использовали нанотрубки из нитрида бора в качестве внешнего «шаблона» и защитной структуры. Внутри их чрезвычайно узкого пространства были проведены химические реакции, позволившие дисульфиду молибдена сформировать однослойные нанотрубки в ограниченной среде. Дисульфид молибдена сам по себе является важным двумерным полупроводниковым материалом, который давно привлекает внимание в исследованиях транзисторов, сенсоров, оптоэлектронных устройств и низкоразмерных материалов. Однако стабильное получение из него трубчатых структур диаметром всего 1 нм с четкой атомной структурой и высокой однородностью значительно сложнее, чем создание обычных пленок или нанотрубок большего диаметра. Используя пространственное ограничение нанотрубок из нитрида бора, исследователи позволили сверхтонким нанотрубкам из дисульфида молибдена, которые обычно трудно стабильно сформировать, расти внутри. С помощью передовой электронной микроскопии и химического анализа были подтверждены их структурные характеристики. Нитрид бора обладает хорошими изоляционными свойствами, и после размещения нанотрубок из дисульфида молибдена внутри образуется коаксиальная структура, где полупроводниковая нанотрубка покрыта изоляционной. Эта структура потенциально связана с передовыми архитектурами устройств, такими как транзисторы с кольцевым затвором. Для будущих транзисторов меньшего размера полупроводниковый канал должен быть не только достаточно тонким, но и сохранять структурную стабильность и однородность свойств на атомном уровне; малейшие дефекты или структурные различия внутри материала могут привести к значительным колебаниям электрических свойств, что в конечном итоге повлияет на надежность устройства.
Диаметр в 1 нанометр — это самое наглядное и ключевое число в данном исследовании.
Исследование также подтвердило теоретическое предсказание, существующее около 25 лет: с уменьшением диаметра нанотрубок из дисульфида молибдена их запрещенная зона уменьшается. Запрещенная зона определяет электронное поведение материала как полупроводника и является одним из важных параметров для оценки пригодности материала для электронных устройств. Ранее теоретические модели предполагали, что сверхтонкие нанотрубки из дисульфида молибдена могут проявлять электронные свойства, отличные от более крупных структур, но из-за ограничений в методах синтеза экспериментально было трудно получить достаточно маленькие, однородные образцы с четкой атомной структурой. Данное исследование сжало диаметр до 1 нм, сохранив при этом однослойную структуру и четкое расположение атомов, что позволило получить более прямое экспериментальное подтверждение соответствующих теорий. По сравнению с углеродными нанотрубками, потенциальное преимущество нанотрубок из дисульфида молибдена заключается в контроле структуры и полупроводниковых свойств. Хотя углеродные нанотрубки долгое время рассматривались как важный кандидат для микроэлектронных устройств, их электрические свойства чрезвычайно чувствительны к хиральности и структурным различиям; незначительные изменения могут привести к тому, что материал проявит металлические или полупроводниковые свойства, что создает проблемы для крупномасштабного однородного производства. Если нанотрубки из дисульфида молибдена смогут обеспечить более стабильный контроль размеров, атомного расположения и полупроводниковых характеристик, они могут стать новой альтернативой для создания более однородных сверхмалых канальных устройств. Существующая кремниевая полупроводниковая технология при дальнейшей миниатюризации также сталкивается с ограничениями, такими как точность травления, дефекты на границах раздела, эффекты короткого канала и повреждение материала, поэтому наномасштабные полупроводниковые трубчатые структуры становятся одним из важных направлений для изучения форм устройств посткремниевой эпохи.
Данное исследование все еще далеко от реального промышленного применения. Длина полученных нанотрубок из дисульфида молибдена составляет всего несколько сотен нанометров, что не соответствует требованиям к длине, однородности, контролю позиционирования и возможности подключения электродов, необходимым для изготовления устройств и масштабной интеграции. На следующем этапе исследовательская группа планирует увеличить длину нанотрубок примерно до 1 микрона и продолжить изучение возможности применения этого метода синтеза в ограниченном пространстве для других неорганических нанотрубок, включая магнитные и сверхпроводящие материалы. Если метод окажется воспроизводимым, его значение не ограничится одним дисульфидом молибдена, а может развиться в универсальную платформу для создания атомарно точных неорганических нанотрубок. Для полупроводниковой промышленности действительно важно то, можно ли превратить открытие материала в структуру устройства, которую можно изготовить, подключить, протестировать и стабильно эксплуатировать; для фундаментальной науки эта работа уже доказала, что химические реакции в ограниченном пространстве могут помочь исследователям достичь ранее недоступных масштабов сверхтонких нанотрубок и наблюдать прямое влияние изменения диаметра на электронную структуру. В будущем микроэлектронные устройства, высокочувствительные сенсоры, квантово-масштабные физические исследования и разработка новых низкоразмерных полупроводниковых материалов могут получить новые возможности для проектирования от таких атомарно контролируемых наноструктур.
С точки зрения технологических инноваций, прорыв команды Токийского университета (Япония) предлагает материальное решение, отличное от традиционной обработки кремния и пути углеродных нанотрубок. Появление полупроводниковых нанотрубок из дисульфида молибдена диаметром 1 нм показывает, что передовая конкуренция в области микроэлектронных устройств продолжает смещаться в сторону контроля атомной структуры. Тот, кто сможет более стабильно контролировать размеры материала, структуру границ раздела и электронные свойства, с большей вероятностью получит технологическое преимущество в будущих сверхмалых транзисторах, наносенсорах и новых функциональных устройствах.