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　　7月22日，國(guó)家納米科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱納米中心）研究員劉新風(fēng)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)休斯敦大學(xué)包吉明團(tuán)隊(duì)和任志鋒團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》上發(fā)表論文，首次在半導(dǎo)體砷化硼中檢測(cè)到其電子空穴約化遷移率約 1550 cm2/Vs。這一測(cè)量結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值1680 cm2/Vs 非常接近，有望為半導(dǎo)體砷化硼在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指導(dǎo)。
　　絕佳材料卻被一票否決？
　　手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品用久了會(huì)發(fā)燙，這是人們普遍的感受。隨著芯片集成規(guī)模不斷增大，散熱問題成為一大困擾?？茖W(xué)家把出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因歸結(jié)為用來制作芯片的半導(dǎo)體材料硅150W/mK的熱導(dǎo)率不夠高，因?yàn)闊釋?dǎo)率越高，散熱越快。
　　為此，材料學(xué)家一直期待找到一種具有更高熱導(dǎo)率的材料。遺憾的是，如果用銅的熱導(dǎo)率400W/mK作為標(biāo)準(zhǔn)，具有更高熱導(dǎo)率的半導(dǎo)體材料只有氧化石墨烯、碳化硅等寥寥幾種。“氧化石墨烯因?yàn)閷訝罱Y(jié)構(gòu)的限制，其熱導(dǎo)性質(zhì)很難應(yīng)用。碳化硅是三維半導(dǎo)體，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但熱導(dǎo)率僅有500W/mK?！眲⑿嘛L(fēng)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
　　2018年，《科學(xué)》連發(fā)3篇論文報(bào)道美國(guó)科學(xué)家用化學(xué)氣相沉積方法成功制備出砷化硼。事實(shí)上，這一早在1958年提出的化合物由于理論預(yù)測(cè)的熱導(dǎo)率不高，一直沒能走進(jìn)人們尋求優(yōu)秀半導(dǎo)體材料的視野。
　　直到2013年，隨著計(jì)算機(jī)算力的大幅提高，一批材料的各項(xiàng)性質(zhì)得到重新預(yù)測(cè)。有科學(xué)家預(yù)測(cè)，砷化硼的熱導(dǎo)率可以媲美金剛石的2000W/mK，這引發(fā)了學(xué)界和業(yè)界的極大興趣。
　　不僅如此，理論預(yù)測(cè)還表明，砷化硼具有高達(dá)1680 cm2/Vs的電子空穴約化遷移率?！斑@決定了半導(dǎo)體材料的邏輯運(yùn)算速度，遷移率越高則運(yùn)算速度越快?！闭撐牡谝蛔髡?、納米中心副研究員岳帥介紹。
　　這種同時(shí)擁有超高熱導(dǎo)率和遷移率的半導(dǎo)體材料令人十分期待，未來其應(yīng)用于集成電路領(lǐng)域既可以緩解散熱困難，又可以提高運(yùn)算速度。
　　然而，當(dāng)科學(xué)家手握著真實(shí)的砷化硼樣品后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)卻令人喜憂參半。喜的是，樣品實(shí)測(cè)最高熱導(dǎo)率為1300W/mK，已經(jīng)接近硅的10倍；憂的是，2021年的一項(xiàng)研究表明，其遷移率僅為22cm2/Vs，幾乎一票否決了它在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。
　　意外收獲了鉆石
　　一時(shí)間，理論預(yù)言和實(shí)測(cè)不一致的結(jié)果，讓材料學(xué)家有點(diǎn)蒙：到底是理論預(yù)言錯(cuò)了，還是實(shí)測(cè)方法有問題？
　　劉新風(fēng)介紹，在2021年的這項(xiàng)工作中，科學(xué)家采用的是基于“霍爾效應(yīng)”的傳統(tǒng)電學(xué)測(cè)量方法?！靶枰跇悠飞现苽渖习傥⒚椎碾姌O，由于現(xiàn)階段制備樣品的雜質(zhì)很多，加之空間分辨率不夠會(huì)導(dǎo)致誤差?！币虼耍l(fā)展出空間分辨率更高的方法實(shí)現(xiàn)砷化硼樣品的遷移率測(cè)量，成為全球科學(xué)家爭(zhēng)相攀登的科學(xué)高峰。
　　對(duì)劉新風(fēng)課題組而言，這是一項(xiàng)超高難度的工作。首先，樣品制備難。休斯敦大學(xué)任志鋒課題組負(fù)責(zé)摸索實(shí)驗(yàn)條件、生長(zhǎng)樣品，劉新風(fēng)課題組和休斯敦大學(xué)包吉明課題組則進(jìn)行純度表征。幾年下來，他們無數(shù)次地重復(fù)這個(gè)過程，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件。
　　在岳帥的記憶里，苦中作樂是那段時(shí)間的真實(shí)寫照?！皹悠分泻腥f分之一的碳雜質(zhì)，有一次長(zhǎng)出一批樣品來，一檢測(cè)居然測(cè)到了金剛石的信號(hào)！”岳帥回憶，“大家高興了好半天，沒想到用生長(zhǎng)砷化硼的方法意外收獲了昂貴的鉆石?！?br/>　　堅(jiān)持下來便是“人間值得”
　　樣品制備好后，接下來需要做的就是挑選高純度樣品。在科研人員看來，這是一個(gè)前人從未涉足過的“無人區(qū)”?！吧榛饦悠穭倓偙恢苽涑鰜聿坏?年，它的基本物理性質(zhì)還不清楚，沒有人知道哪一塊區(qū)域是高純度的。”劉新風(fēng)說。
　　不過，他們一直沉浸于開拓知識(shí)新領(lǐng)域的冒險(xiǎn)家的角色扮演中，不斷嘗試通過發(fā)光、拉曼光譜、吸收、熱導(dǎo)率、X射線衍射、載流子動(dòng)力學(xué)等方法獲得材料各方面特征，試圖總結(jié)出與純度有關(guān)的規(guī)律。
　　在對(duì)大量樣品長(zhǎng)時(shí)間、反復(fù)比較后，他們最終確定了綜合應(yīng)用X射線、拉曼光譜和帶邊熒光信號(hào)來判斷樣品純度的方法，并基于這種新方法挑選出了高純樣品。
　　科研人員進(jìn)一步自主搭建了一套全新的“超快載流子擴(kuò)散顯微成像系統(tǒng)”。這套系統(tǒng)基于光學(xué)原理進(jìn)行檢測(cè)，避免了此前因需要利用電極導(dǎo)致空間分辨率低的缺陷，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、原位的觀測(cè)。
　　利用這套測(cè)量系統(tǒng)，科研人員系統(tǒng)比較了具有不同雜質(zhì)濃度的砷化硼電子和空穴的擴(kuò)散速度，首次在高純樣品區(qū)域檢測(cè)到其約化遷移率約 1550 cm2/Vs ，與理論預(yù)測(cè)值非常接近。這無疑給未來砷化硼廣泛應(yīng)用在光電器件、電子元件中吃了一顆“定心丸”。
　　因?yàn)檎n題組具有開發(fā)科研儀器的經(jīng)驗(yàn)，還有搭建儀器設(shè)備的優(yōu)良基礎(chǔ)和傳統(tǒng)，從準(zhǔn)備到搭建再到獲得完美數(shù)據(jù)，岳帥只花了兩個(gè)月時(shí)間，感覺“不難”。
　　不過，科學(xué)探索的過程讓岳帥覺得并不輕松?！皩?duì)于基礎(chǔ)研究，要做真正有用的東西，結(jié)果有可能會(huì)出得慢一些，但是堅(jiān)持下來，‘人間值得’！”他說，“劉老師也一直鼓勵(lì)和支持我們這樣去做，言傳并且身教?！?br/>　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abn4727
　?。ㄔd于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2022-07-26 第1版 要聞）