7月12日消息，随着半导体制程工艺进入2nm，硅基晶体管的尺寸越来越小，越来越逼近物理极限，摩尔定律已死的论调也不绝于耳。对此，不少研究人员也正在积极开发新材料来替代硅，以期能够打造成更小、更薄、更有效率的下一代芯片。其中，仅原子层厚度的二维层状半导体材料近年备受瞩目，比如过渡金属二硫族化物（transition metal dichalcogenides，TMD），许多公司已在二维材料芯片投入大量资金。
据Tomshardware报道，最近，普林斯顿等离子物理实验室（PPPL）物理学家Shoaib Khalid团队在《2D Materials》期刊发表新论文，详细介绍TMD原子结构可能发生的变化、发生原因及它们如何影响材料。这些信息为改进下一代芯片所需流程奠定基础。
过渡金属二硫族化物（TMD）材料关键特征是二维结构的大原子相互作用，如二碲化钨（WTe2）表现出反常巨磁阻和超导性，其余如：二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）、二硒化钼（MoSe2）、二硒化钨（WSe2）等，也都是极具潜质的二维层状半导体材料。
研究人员解释，TMD可以薄到仅3个原子厚度，把它想像成由硫族元素（硫、硒、碲）制成的金属小三明治，中间馅料可为任何过渡金属原子（元素周期表第3族到第12族的金属）。块状TMD则具有5层或更多层原子排列成晶体结构，有时候，科学家会在晶格结构某处发现缺少1个原子、或在奇怪位置找到1个原子，这种“缺陷”偶尔能为材料带来正面影响，比如某些TMD缺陷反而使半导体导电性更强。
▲中间缺失1个硫族原子的TMD中间层示意图。
无论好坏，科学家必须了解引发缺陷的原因并加以利用。之前，科学家发现块状TMD含有多余电子，现在Shoaib Khalid团队指出，这些多出的电子可能由氢气引起。
根据缺陷的类型与性质，材料也会有不同表现与性能。比如多余电子会形成n型半导体材料，失去电子留下电洞则使材料成为p型。至于我们还要等多久才能看到TMD材料的应用？专家认为，到2030年可能就会出现实际用于设备的TMD晶体管。
编辑：芯智讯-林子