未来技术面临一个老大难问题：生锈。含铁金属与氧气和水分发生反应时，产生的腐蚀会极大地影响汽车行业零部件的寿命和使用寿命。
虽然在半导体行业中它不被称为“生锈”，但氧化对于控制电子设备中电流的二维(2D)半导体材料来说尤其成问题，因为任何腐蚀都可能使原子级厚度的材料变得毫无用处。
现在，一个由学术和企业研究人员组成的团队开发出一种合成工艺，可以生产出一种具有附加特性的“防锈”涂层，非常适合制造更快、更耐用的电子产品。
该团队由宾夕法尼亚州立大学的研究人员共同领导，在《自然通讯》上发表了他们的研究成果。
二维材料非常薄，厚度只有一个或几个原子。它们有望成为先进的半导体材料，因为它们的薄度为电子提供了更短、更直接的路径，使其能够快速移动，并且穿过材料的阻力更小。这反过来又可以实现更快、更高效的电子性能。
半导体是在某些条件下导电但在其他条件下不导电的材料，这使得它们成为控制电子设备中电流的理想材料。电子设备，即计算机的“大脑”，是由这些材料制成的。
“我们目前在二维半导体研究中看到的最大问题之一是材料氧化很快，”材料科学与工程教授兼该论文的共同通讯作者约书亚·罗宾逊 (Joshua Robinson) 说。
“你需要确保它们的长期可靠性，因为它们将用于晶体管或传感器，使用寿命预计为数年。目前，这些材料在露天环境下的使用寿命不超过一周。”
保护这些材料免受生锈的传统方法涉及氧化物涂层，但这些工艺通常使用水，具有讽刺意味的是，水会加速他们想要防止的氧化。该团队解决这个问题的方法是寻找一种可以完全避免使用水的涂层材料和方法。进入非晶态氮化硼 (a-BN)。
罗宾逊说：“我们希望在这个过程中避免使用水，因此我们开始思考可以制造哪种在加工过程中不使用水的二维材料，而非晶态氮化硼就是其中之一。”
罗宾逊表示，a-BN 是一种非结晶的氮化硼，具有高热稳定性和电绝缘性能，非常适合用于半导体中绝缘元件、防止不必要的电流并提高设备性能。
他解释说，a-BN a 具有高介电强度，这一测量指标表明材料能够承受高电场而不击穿，这是可靠电子性能的关键因素。
“a-BN 所展现的高介电强度可与目前最好的介电体相媲美，而且我们不需要用水来制造它，”罗宾逊说。“我们在论文中证明，与单独使用传统介电体相比，加入非晶氮化硼可提高器件性能。”
罗宾逊表示，虽然涂层有助于生产出更好的 2D 晶体管，但将涂层涂在 2D 材料上却是一项挑战。二维材料缺乏悬空键，即材料表面与其他原子发生反应或结合的未配对电子。
采用较高温度来涂覆材料的标准单步工艺导致涂层不均匀且不连续，远低于电子产品正常运行所需的质量。
为了在二维材料上均匀涂覆 a-BN，研究小组开发了一种新的两步原子层沉积方法，首先沉积一层薄的低温 a-BN“种子层”，然后将腔室加热到 250 至 300°C 之间的典型沉积温度。
这不仅使得研究人员能够在二维半导体上生产出均匀的 a-BN 涂层，而且与不使用 a-BN 的设备相比，晶体管性能提高了 30% 到 100%(具体取决于晶体管设计)。
“当你将二维半导体夹在非晶态氮化硼之间时，尽管它是非晶态的，但最终会得到一条更平滑的电子路径，也就是说，这将使电子技术得到改进，”罗宾逊说。“电子穿过二维材料的速度比夹在其他介电材料中时更快。”
罗宾逊指出，即使具有很高的介电强度，研究人员也只触及了 a-BN 作为半导体器件介电材料潜力的表面。
“尽管它的性能已经优于其他介电材料，但我们仍有改进的空间，”罗宾逊说。“我们现在要做的首要任务是提高材料的整体质量，然后将其集成到未来电子产品中可能出现的一些复杂结构中。”
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