[图]科学家设计出基于2D材料的堆叠结构 可降低电路设计复杂性和功耗

科学家近日设计了一种基于 2D 材料的多层堆叠结构，通过将二硫化钨（WS2）层夹在六方氮化硼（hBN）层中，能够让连续 WS2 层显示出长距离相互作用特性，具有降低电路设计复杂性和功耗的潜力。二维材料由于其丰厚的电子性能，使其在光伏、半导体和水净化等领域得到应用，受到材料科学家的青睐。特别是二维材料相对的物理和化学稳定性，使其可以相互“叠加”和“集成”。

相关论文：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08133

理论上，二维材料的这种稳定性使得基于二维材料的结构的制造成为可能，如耦合“量子阱”(CQWs)，这是一个由相互作用的势能“wells”组成的系统，或者说是拥有极少能量的区域，只允许被困在其中的粒子获得特定的能量。

CQWs 可用于设计谐振隧道二极管，这种电子器件表现出电压随电流的负变化率，是集成电路的重要组成部分。这种芯片和电路是模拟生物大脑中负责记忆存储的神经元和突触的技术中不可或缺的一部分。

来自大邱庆北科技学院(DGIST)的 Myoung-Jae Lee 博士领导的研究团队设计了一种 CQW 系统，在两个六边形氮化硼(hBN)层之间堆叠一个二硫化钨(WS2)层。Lee 博士表示：“hBN是一种近乎理想的二维绝缘体，具有高化学稳定性。这使得它成为与WS2集成的完美选择，WS2是已知的2D形式的半导体” 。他们的成果刊发在《ACS Nano》上。

研究小组测量了 excitons—bound 系统的能量，并将其和双层 WS2 架构进行了对比。该系统整合了电子（electron）、电子空穴（absence of electron），以及为 CQW 的 trions，此外他们还测量了单个CQW的电流-电压特性，以描述其行为。

随着 Stakes 的增加，exciton 和 trion 都会逐渐下降，而双层 WS2 会突然下降。他们将这些观察结果分别归因于长程井间相互作用和在没有 hBN 的情况下 WS2-WS2 的强相互作用。电流-电压特性证实了它的行为像一个谐振隧道二极管。

那么这些结果对未来的电子学有什么影响呢？ Lee 教授总结道：“我们可以利用谐振隧道二极管来制作多值逻辑器件，这将大大降低电路复杂度和计算功耗。这反过来又可以带动低功耗电子产品的发展”。

这些发现肯定会给电子行业带来革命性的变化，极低功耗的半导体芯片和电路，但更令人激动的是这些芯片能把我们带到哪里去，因为它们可以被应用于模拟神经元和突触的应用中，而神经元和突触在生物大脑的记忆存储中起着重要作用。因此，这种 "二维视角 "可能是人工智能领域的下一个大事件!