科学家研制出稳定单原子层锗

据物理学家组织网4月10日报道，60年前，锗被用来做成了第一块晶体管，但随后被硅取代，现在，美国科学家首次成功制造出了单原子厚度的锗——单锗（germanane），其电子迁移率是硅的10倍，因而有望取代硅用于制造更好的晶体管。研究发表在最新一期的美国化学会《纳米》杂志上。

单锗的结构同由单层碳原子组成的二维结构的石墨烯有异曲同工之处，石墨烯目前是世上最薄、最坚硬也是电阻率最小的纳米材料，因此被期待用于制造更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管，但目前石墨烯还没有被商用。

俄亥俄州立大学化学系的助理教授约书亚·戈德伯格表示：“很多人将石墨烯看成是未来的电子材料，但硅和锗目前仍占据芯片制造的主流，因此，我们一直在寻找具有独特形式的硅和锗，其性能更优异、制造成本更低且可以用现有技术处理。最终，我们制造出了稳定的单原子层的锗——单锗。”

此前研究人员就尝试过制造单锗，但这是首次成功地制造出足够数量的单锗来详细研究其属性；而且他们也证明，当接触空气和水时，单锗的性能仍能保持稳定。

在自然界中，锗很容易形成多层晶体，其中的每个原子层紧紧依附在一起，这就使单原子层锗的性能不稳定。为了解决这个问题，戈德伯格团队首先制造出了多层的锗晶体，并在每层之间挤入了一些钙原子，接着用水将钙溶解，并用氢原子填满留下的化学键，最后剥下了单层锗。

填充了氢原子的单锗的化学稳定性比传统硅要好，不会像硅那样在空气和水中氧化，这就使得单锗很容易使用传统的芯片制造技术进行处理。而且，单锗拥有“直接带隙”，这意味着它很容易吸收或释放光；而传统的硅和锗则拥有间接带隙，很难吸收或者释放光，这就使得单锗能在光电子学领域大有作为。科学家们解释道：“如果你想在一块太阳能电池上使用拥有间接带隙的材料，你必须使该材料变得很厚，而拥有直接带隙的物质能做同样的工作，厚度仅为其百分之一。”

科学家们的计算表明，单锗的电子迁移率是硅的10倍、传统锗的5倍，因此有望用于制造高能计算机芯片。戈德伯格说：“高电子迁移率非常重要，只有用迁移率更高的材料才能制造出运行速度更快的计算机芯片。当晶体管变得更小，也需要使用迁移率更高的材料，否则晶体管会‘罢工’。”

该研究团队接下来打算探究如何通过改变单层中原子的组合方式来改进单锗的属性。