在数字技术的浪潮中，芯片作为现代科技的基石，其性能的提升一直与晶体管的微型化进程息息相关。从微米级到纳米级，晶体管的不断缩小推动了计算能力的大幅增长，为智能终端、航天探索、人工智能等领域的发展提供了强大的支撑。然而，随着晶体管尺寸逐渐逼近物理极限，传统硅基材料的性能瓶颈开始显现，如何打破这一限制，开发出尺寸更小、速度更快、能耗更低的芯片，成为了全球半导体行业亟待攻克的关键难题。
近日，一项由印度理工学院甘地讷格尔分校与美国宾夕法尼亚州立大学联手完成的研究，为这一难题的解决带来了希望。研究团队将目光聚焦于二维材料领域，成功地将二硼化钛转化为稳定的纳米片，并证实其可作为原子级薄晶体管的栅极绝缘体，为半导体器件的微型化和性能提升奠定了坚实的基础。这一研究成果在国际顶级期刊《ACS Nano》上发表后，引起了业界的广泛关注。
在半导体器件中，栅极绝缘体扮演着至关重要的角色。它位于晶体管的栅极与导电通道之间，通过施加电压来控制通道的导通与截止，从而直接影响器件的开关速度、能耗以及稳定性。随着晶体管尺寸的不断缩小，栅极绝缘体的性能面临着严峻的挑战。传统材料如二氧化硅，在厚度降至一定程度时会出现漏电现象，导致能量损耗增加、器件稳定性下降。因此，寻找一种兼具超薄厚度与优异介电性能的新型材料，成为了突破晶体管微型化瓶颈的关键。
印度理工学院甘地讷格尔分校的Kabeer Jasuja教授指出，二维半导体为解决这一问题提供了新的方向。其原子级的厚度为器件微型化提供了天然的优势，但同时也对栅极绝缘体提出了更高的要求。它需要足够薄以匹配二维材料的尺度，同时又要具备足够的物理厚度来有效调控电流、抑制泄漏。这种“薄与效”的平衡成为了研发的难点。
二硼化钛（TiB₂）作为一种已知的过渡金属硼化物，具有高硬度、高熔点和优异的导电性，在耐磨涂层、电极材料等领域有着广泛的应用。然而，将其转化为适用于半导体器件的栅极绝缘体，需要实现材料形态与性能的双重转变。研究团队通过创新的室温处理工艺，成功地将块状二硼化钛转化为原子级薄的纳米片，并进一步对其进行表面修饰，使其形成了稳定的AIB₂型二硼化物结构。这一过程不仅降低了制备成本，还有效避免了材料在加工过程中因高温产生的缺陷。
经过处理的二硼化钛纳米片展现出了卓越的介电性能。其介电常数显著高于传统二氧化硅，且缺陷密度极低，能够有效抑制漏电现象。更重要的是，这种纳米片的厚度可以精确控制在几个原子层级别，完美匹配了二维半导体的尺度需求。实验数据显示，基于该材料的晶体管开关比达到了10⁶以上，接近理想器件水平，且在连续工作数千次后仍保持稳定，展现出了良好的可靠性。
这项突破性研究的成功，离不开印度理工学院甘地讷格尔分校与美国宾夕法尼亚州立大学的深度合作。印度团队在二维材料化学领域有着深厚的积累，主导了材料的合成与表征，开发出了高效的室温制备工艺。而美国团队则专注于器件设计与电气性能测试，凭借在半导体器件工程方面的经验，完成了纳米片在晶体管中的集成与验证。
