新型半导体硼烯为最轻的高性能晶体管铺平了道路

1808年，法国化学家Joseph-LouisGay-Lussac和Louis-JacquesThenard以及英国化学家HumphryDavy独立发现了元素周期表中的第五种元素——硼。在晶体形式中，硼主要具有三种多晶型物，即三种不同的晶胞构型：α-菱形、β-菱形和β-四方晶，以及16种可能的同素异形体。

这种元素的独特性质使其在众多应用中得到使用，包括化学、材料科学、生命科学、能源研究和电子学。此外，根据过去十年进行的研究，硼在药物设计中具有巨大的潜力，因为它在骨骼生长和维持、伤口愈合、预防维生素D缺乏和其他过程中发挥着重要作用。

在元素周期表中，硼位于碳的左侧，这导致硼具有相似的价轨道，但共价半径较短。与碳相比，碳更倾向于块状的2D(二维)层状结构(又名石墨)，硼的块状同素异形体由B12二十面体笼组成。因此，在2015年之前，通过实验实现硼(也称为硼烯)的二维原子网络具有挑战性。

最初，二维硼片实验研究有限的根本原因之一是使用昂贵且有毒的前体，例如乙硼烷。后来，使用纯度为99.9999%的固体硼原子源在超高真空条件下生长了原子级薄的硼烯片，以规避有毒前体造成的困难。

最近，硼烯因其超低摩尔质量而引起了极大的关注。与石墨烯不同，硼烯具有不同的晶型，如条纹、β12、X3和蜂窝状，直到现在，它们都被证明是金属的。然而，块状硼是半导体性的。自然地，研究人员想要探索硼的半导体二维相。

半导体在晶体管和集成电路的设计中起着至关重要的作用。在晶体管中使用硅作为基础半导体材料彻底改变了电子工业。随着时间的推移，晶体管尺寸的缩小使工程师能够在单位面积的硅晶圆中封装数百万个晶体管。

然而，研究人员预测，硅技术的缩小将在未来几年内达到瓶颈。因此，半导体行业需要探索二维材料作为硅的替代品，因为研究人员宣称二维材料可以为晶体管提供最佳的静电完整性。

在2004年发现石墨烯之后，已经对十几种二维半导体(例如锗烷、碲烯、磷烯等)进行了晶体管沟道应用的实验研究。然而，从无限空间实验探索二维材料是不可行的。因此，随着计算科学技术的进步，需要从巨大的二维材料空间中发现相关的晶体管材料。

到目前为止，报道的硼烯半导体相表现出小的带隙，这使得它们不适合作为晶体管沟道材料。在我们的工作中，我们发现了一种名为簇状-P1硼烯的超协调二维硼原子网络。它显示出类似硅的带隙，但沿传输方向的有效质量较低且对称。

在我们最近发表在ACSAppliedMaterialsandInterfaces上的工作(“Clustered-P1borophene的发现及其作为最轻的高性能晶体管的应用”)中，我们从基于第一性原理的硼的2D搜索开始研究空间，采用进化算法。它产生了特殊的半导体硼烯相，即簇状-p1硼烯，其总能量接近所有硼烯相的全局最小值。

之后，我们预测了传统MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的性能特征，这些晶体管采用簇状P1硼烯实现，通道长度为10纳米至3纳米。我们使用基于GPU的内部自洽量子传输模拟器执行了这项工作。已发现这些MOSFET的性能满足IRDS(国际设备和系统路线图)对多个基准指标的要求。

簇状p1硼烯显示出卓越的热力学、结构和动态稳定性。正如我们的工作所示，值得注意的是，即使是3纳米沟道长度的晶体管也可以提供104的开关电流比。另一方面，n型和p型MOSFET的平衡模式操作使其适用于CMOS(互补金属氧化物半导体)电路性能。记住这些有益的结果，我们预测簇状P1硼烯MOSFET可能会成为最轻的高性能晶体管的一个不错的选择。