賓夕法尼亞州立大學和麻省理工學院（MIT）的研究人員提出了一種改進的方法，用于制造一種新型半導體，該半導體由幾個原子組成，并以不尋常的方式與光相互作用。這種新的半導體可能導致新的計算和通信技術，這些技術使用的能量比當前的電子產品少。

新型半導體硒化錫（SnSe）將有助于開發一種稱為“光子學”的新型電子產品，該電子器件使用光粒子或光子來存儲，操縱和傳輸信息。傳統的電子產品使用電子來做到這一點。

硒化錫是一種二元化合物，由錫和硒以1：1的比例組成。這種材料與光具有獨特的相互作用，使其具有在電子產品中使用的巨大潛力。

“它可以被描述為一種具有兩種不同顏色的材料，這意味著根據你看到它的方向，你將觀察到不同的顏色，”麻省理工學院材料科學與工程系的博士后助理Wouter Mortelmans解釋說，他是ACS Nano中關于這項工作的論文的主要作者。“這種特殊的光學特性對于使用光來計算，存儲或傳輸信息非常有用。

Mortelmans說，為了利用這些與取向相關的特性，材料的制造必須通過原子精度控制來完成，這一點非常重要。顏色對材料方向的依賴性也允許更快，更輕松地檢查材料質量。

“我們需要一種可靠的方法來制造材料，制造符合規格的設備，而不必擔心隨機的自然變化，”麻省理工學院材料科學與工程教授，該論文的資深作者Rafael Jaramillo說。

合成這種無缺陷材料的關鍵是稱為外延的過程，這對于原子薄半導體來說可能具有挑戰性。

“外延可以想象為類似于用樂高積木建造，其中感興趣的材料被分解成三角形或矩形樂高積木的小個體單元，”賓夕法尼亞州立大學材料研究所2D晶體聯盟（2DCC）助理研究教授Maria Hilse說。

“底座是一個超干凈的主機晶體基板，可以在上面放置一定形狀的'樂高'積木。理想情況下，我們選擇這種起始基板，以便它與我們要組合的材料（即我們的樂高積木）的晶體結構完美契合。在SnSe的情況下，我們將有一個矩形的樂高積木池，我們希望將其組裝在矩形樂高底板上，這是一個氧化鋁（11-20）表面。

這項研究部分是通過Jaramillo和2DCC之間的研究關系實現的。2DCC是由美國國家科學基金會支持的國家用戶設施，專注于推進下一代電子和量子技術中2D層狀硫族化物的合成。

“大約一半的實驗工作是在2DCC進行的，Mortelmans博士和Hilse博士之間進行了實際合作，”Jaramillo說。“與2DCC合作極大地擴展了我們可以使用的實驗功能集，使這個項目比其他項目更加嚴格和令人信服。特別是，與Hilse博士和其他人的早期討論對于激勵和降低工作風險非常重要。

Hilse在2DCC的職責包括生長設施，其中進行了部分SnSe生長研究。

“2DCC使Wouter有可能來到賓夕法尼亞州立大學，并在現場接受我關于合成方法的培訓，這使他能夠進行本出版物所需的實驗，”Hilse說。“2DCC的獨特功能以及我的監督和經驗有助于積累構建出版物的數據量。

論文中報告的結果為研究人員和公眾提供了好處。Mortelmans說，對于研究人員來說，他們為2D材料的制造提供了見解。

“我們為具有原子精度控制的2D材料開發了一種新的外延工藝，這在如何制造高質量的2D材料方面獲得了新的見解，”Mortelmans說。“2D材料的外延過程研究是一個相對年輕的領域，有優化的空間。憑借在這項工作中獲得的新見解，我們希望進一步為2D材料外延工藝的進步做出貢獻。

此外，研究人員開發了一種原始的結構表征方法來測量外延生長的2D材料的質量。

“這種快速簡便的結構表征方法適用于所有具有取向依賴性光學特性的材料，”Jaramillo說。“這種方法可以顯著減少進一步開發此類材料的時間和成本。

反過來，他們的研究可以幫助帶來的那種廣泛的光子技術將為社會帶來多重好處。這些范圍從大型電子產品的低功耗到用于農業，空氣質量監測，公共衛生和運輸的低成本環境傳感器，再到用于改善自動駕駛汽車安全系統的計算機視覺和基于光的傳感。

“光子學在降低功耗方面具有巨大的潛力，特別是在大型數據中心，這些數據中心是一個龐大且不斷增長的電力消耗者，因此負責發電排放的相當大的一部分溫室氣體，”Jaramillo說。“因此，以可量化的方式，未來的基于光的計算可以減緩全球變暖。

鑒于研究人員開發的新制造工藝是使用光在SnSe中實現信息存儲和傳輸的第一步，Mortelmans表示，麻省理工學院的研究人員很有可能在未來使用2DCC設施和專業知識。

“2DCC具有出色的設施，可以制造2D材料并在制造后測量超薄膜，”Mortelmans說。“在2D材料研發的許多不同重要領域都有很多專業知識。2DCC的未來工作還沒有具體的計劃，但是已經建立了聯系，每當有新的機會進行有趣的合作時，這些聯系將非常有用。

這個故事改編自賓夕法尼亞州立大學的材料，并由Materials Today進行了編輯更改。本文中表達的觀點不一定代表愛思唯爾的觀點。鏈接到原始源。