突破材料微缩极限！东京大学团队成功制备1纳米单壁二硫化钼半导体纳米管
发布时间：2026-6-12 10:29
发布者：eechina
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在全球半导体材料向物理极限持续冲锋的前沿阵地，一维纳米材料领域近日迎来突破性进展。由日本东京大学领导的国际联合研究团队宣布，他们成功利用一维氮化硼（BN）纳米管作为微观“模板”，在国际上首次制备出了直径仅为1纳米的单壁二硫化钼（MoS2）半导体纳米管。这一尺寸大约仅为人类头发丝的十万分之一，不仅刷新了同类过渡金属硫属化合物（TMDC）纳米管的尺寸极限，更在真正意义上实现了原子级厚度一维半导体材料的受控合成，为突破摩尔定律失效瓶颈、开发超低功耗的次世代纳米电子器件奠定了坚实的材料学基础。 随着硅基半导体工艺迈向2纳米及以下微缩节点，传统的二维或三维半导体材料因严重的短沟道效应和漏电问题，正面临前所未有的物理挑战。具有管状结构的一维半导体纳米管，由于其完美的空间对称性和无悬挂键的表面特性，被视为构建未来超高集成度场效应晶体管（FET）的终极理想材料。然而，二硫化钼这类典型的层状半导体材料，其自身的原子卷曲能极大，在极微观尺度下自行弯曲成管的难度堪称“反物理常识”。此前，科学界在不借助外力的情况下，根本无法合成出直径低于2纳米且层数高度可控的单壁二硫化钼纳米管。 东京大学的研究团队巧妙地化解了这一结构热力学难题。他们将目光投向了化学稳定性和机械强度极高、且同样具备一维管状结构的氮化硼纳米管。在实验中，科研人员将超细的单壁氮化硼纳米管作为“外骨骼模板”，利用先进的化学气相沉积（CVD）工艺，引导钼原子和硫原子在氮化硼纳米管的内壁或外壁表面进行精准的原子级定向排列。由于氮化硼与二硫化钼之间存在微妙的范德华力相互作用，这种纳米级的“模具”强行约束了二硫化钼的生长轨迹，最终促使二硫化钼原子面完美顺应模板的弯曲度，结晶成了直径仅1纳米、壁厚仅为单原子层的超细半导体管状结构。 这项研究成果的重大意义在于，1纳米直径的单壁二硫化钼纳米管不仅具备极高的一维电荷传输效率，而且展现出了由量子局限效应带来的独特半导体带隙特性。这种特性使其在理论上拥有极高的开关比和近乎零的待机漏电率，是制造未来量子芯片、超柔性微型传感器以及光电集成电路的绝佳载体。东京大学团队的这一创新方法，不仅攻克了一维超细半导体材料难以稳定量产的百年物理学界造物难题，也为其他过渡金属硫属化合物纳米管的合成提供了一套普适性的“模板法”范式。未来，随着该工艺向晶圆级规模化制备延伸，由原子级一维半导体驱动的超高性能芯片将加速从实验室走向现实世界。 |
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