美俄兩國科學家發明世界上第一種一維半導體材料

這種材料是兩種化合物的複合體：鉭 - 鈀 - 硒化合物（Ta2Pd3Se8）和鉭- 鉑 - 硒化合物（Ta2Pt3Se8）。早在30多年前，人類就能夠合成TaPdSe和TaPtSe晶體，而這兩種新材料的組成部分則通是過微機電分離技術獲取自對應的化合物晶體。

俄羅斯莫斯科國立科技大學（National University ofScience and Technology）由數學和物理學博士帕維爾·索羅金（Pavel Sorokin）領導的研究團隊完成了新材料的理論工作，而美國新奧爾良杜蘭大學的Jiang Wei領導的研究團隊完成了實驗部分。

Pavel Sorokin

帕維爾·索羅金就職於國立科技大學，是納米尺度架構理論材料科學和無機納米材料實驗室的負責人。近日，他就此材料對人類生活可能帶來的長遠影響接受了俄羅斯國立新聞集團記者的採訪。

記者：索羅金先生，您領導下完成的該材料理論工作有什麼重要意義？這種新材料所代表的未來半導體材料相較於現有同類材料到底有何不同？

索羅金：我們和美國同行一起致力於製造更緊湊，速度更快的電子器件。理論上來說，有了我們的新材料後，將有可能把電路縮小到納米尺度，同時，這樣的電路運行速度將更快，而能耗則更低。更重要的是，這種材料的應用範圍將越來越廣。

而電子器件的速度和其他參數都直接取決於導電材料的質量。我們之前成功地製造出了納米尺度的導線，因此我們嘗試將這種導線用於製造革命性的新型電子系統。

如果納米電子器件得以普及，那麼我們身邊的所有電子系統能可以變得更智能，體積更小。而光中繼器件、光敏二極體、感測器和其他電子設備的響應速度可以更快，而耗電則將更低。

記者：新發明的「納米工程材料」會給電子工業帶來怎樣的巨大改變？

索羅金：微電子和光電子工業是受益最大的部門。新材料可以提供獨特的光電、機械、化學和生物特性。

新材料最大的特點在於：它是一種尺度非常小的一維納米結構材料，材料的直徑達到了讓我們為之驕傲的及小尺寸。此外，我們獲得材料的加工方法也與傳統方法迥然不同。一般來說，目前獲得納米線的方法就是把石墨烯和二硫屬元素材料切割成帶狀。以上兩點就是我們研發出的新材料的巨大優勢。

由於（材料化合物的）晶體是由互聯的、寬度相同納米帶組成的，於是我們就是總是可以抽取出同樣寬度的納米帶，此外，我們還實現了實現了流水線化連續抽取。

記者：說到這裡我不禁要問，您認為是什麼動機促使科學家去探索未知的？新的發現是突然產生的，還是通過漫長艱苦的試錯才產生的？

索羅金：新材料的研發工作可以追溯到2010年我在德克薩斯州萊斯大學做博士後期間的工作。我所在團隊的負責人鮑里斯·雅克比松（Boris Jacobson）教授是位很早就定居美國的俄羅斯移民，也是該領域出類拔萃的專家。他教導我以不同的視角看待問題，從被普遍認為已經研究透了的領域發掘出新的東西。

雅克比松教授和我博士導師列昂尼德·切諾扎東斯基（Leonid Chernozatonsky）的教導使我受益良多。在萊斯大學我遇到了蔣偉，他是一個天賦和幹勁都屬上佳的博士後。3年後我回到莫斯科，在Jiang Wei的提議下，我們開始進行合作研究。合作成果發表在了《Nature Physics》上，這是個不錯的開局。

Jiang Wei接下來的建議是共同研究一種理論上可能存在的晶體。我們計算了它的結構，發現它很可能是一種「接近1維」的半導體。

儘管20世紀80年代就被發現，但鉭-鈀（鉑）-硒化合物太過複雜，因此之前從未被系統研究過。該化合物晶體由弱鏈接的條帶組成，其結構類似於過渡金屬二硫族化合物中的條帶結構。

科學家們研究二硫化鉬或二硫化鎢等過渡金屬的二硫化合物中的條帶結構（可以看作是2維的）已經很長時間，因為該化合物可以提高半導體的特性。在傳統硅材料的潛力日益被挖盡的時代，這類化合物提供了很有潛力的解決方案。

這類化合物的結構有點像三明治：一層硫族元素——硒或者硫——下來是一層過渡金屬原子——鎢或鉬，然後又是一層硫族元素，如此這般。

人類早已製造出二維層狀結構的過渡金屬二硫化物半導體。但是，我們認為，我們可以進一步造出一維結構來。如果能實現，那麼就可以製造出儘可能小的半導體原件。

然而再實驗中，我們的確遇到了不少麻煩。從三明治結構中分離納米帶狀結構被證明是幾乎不可能完成的任務，難度太大，勉強取出的納米帶狀結構，性能也不怎麼樣。

記者：2004年，科學界首次認為，石墨烯是21世紀的半導體材料。你如何想到了現在這條全新的致勝思路呢？

索羅金：我們突然意識到，我們根本就不該切割三明治結構，因為這種三明治結構本身就是我們尋找的目標！

Jiang Wei完成了實驗。實驗非常簡單：他用膠帶從晶體上粘了一個薄層下來，然後就獲得了所需的納米結構。膠帶法也是用來獲得石墨烯的實驗室方法。它儘管簡單，卻非常有效，可以獲得高質量的納米尺度材料。

在膠帶的幫助下，Jiang Wei製造出了厚度只有1納米的納米條帶。此外，我們的美國同行還用這種材料製造了1個三極體。同時，莫斯科的團隊研究了納米條帶，以及多納米條帶組成的納米長索的結構和電特性。

我們還有很多工作要做。目前，我們獲得了多種互聯的納米條帶。未來，我們希望能在除了鉭-鈀（鉑）-硒化合物之外的新材料中，發現新的納米結構。考慮到鉭-鈀（鉑）-硒化合物的眾多有著眾多的表親，這一點幾乎肯定能夠做到。