二维半导体，看见电子与缺陷

由劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）牵头的一组研究人员开发出一种强大的全新研究方法，得以以前所未有的细节水平，直接观测先进半导体器件中电子与缺陷之间的相互作用。该研究方案包含一套创新仿真工具，能够对实验观测结果做出精准的理论解读。

这项研究发表于《自然》期刊，研究对象是前沿超薄器件 —— 二维（2D）半导体，这类材料具备十分特殊的电子态。

左侧实验图像是研究团队二维半导体器件的扫描隧道显微镜图。图中清晰的椭圆形亮橙色区域，是处于维格纳固体态的电子；右下方延伸状结构，则是电子开始 “熔化” 转变为费米液体态。黑色区域内的红色小圆点簇标记出缺陷所在位置。右侧理论图像为量子蒙特卡洛仿真结果，呈现出与实验图像几乎完全一致的特征。两组图像高度吻合，一方面证实实验图像记录的是电子真实行为，而非显微镜产生的伪影，另一方面也验证了这套仿真技术的准确性。

“本次研究让我们得以深入理解二维半导体中的电子为何会呈现现有行为，” 论文作者之一、伯克利实验室材料科学部高级科研科学家、加州大学伯克利分校物理学教授Mike Crommie表示，“我们所采用的研究方法，为发现过去从未观测到的电子行为打开大门，这些新发现可赋能半导体器件实现全新性能。这对于追求微型化物理极限的下一代半导体器件发展而言意义重大。”

强相互作用电子的超薄半导体研究

晶体管、计算机芯片、传感器等传统硅基半导体器件，所用材料的原子呈三维排布。近年来，器件研发人员越来越多地探索二维半导体的应用潜力，这类材料仅由单层或者少数几层原子构成。超薄的结构会改变电子的运动特性，有望让未来半导体器件拥有全新功能。

这支由伯克利实验室主导的研究团队重点研究了电子处于特殊维格纳固体态的二维材料。在普通半导体器件中，电子通常如同独立粒子一般在材料内部运动，电子之间的相互作用对电子本身以及器件整体运行的影响相对微弱。

“物理学家将这种常规状态称为费米液体，电子的运动就如同海面涌动的波浪。”Crommie解释道。在特定条件下，电子会进入维格纳固体态：电子彼此分离，失去移动能力。物理学将这类体系定义为 “强相互作用体系”，电子之间的排斥力成为决定其行为的主导因素。维格纳固体中的电子不再独立运动，而是排布成相对有序的形态，以群体形式表现出集体行为。

缺陷对电子行为的巨大影响

过去，科研人员一直无法直接成像观测强相互作用二维半导体体系内电子与缺陷的相互作用。想要制备出可以达到单原子级别分辨率成像标准的半导体器件，难度极高。因此研究人员只能采用间接手段研究电子‑缺陷相互作用：给半导体器件接上线路，测量电流导通难易程度。

“以往部分实验得出的结论十分模糊，原因就在于研究人员无法同时观测电子和缺陷，”Crommie说道，“他们只能依靠电导率数据去推导电子行为。”

为攻克成像难题，团队采用扫描隧道显微镜。该设备将一枚微小金属探针悬停在材料表面上方，探针扫过材料表面的同时采集电流信号。为实现尽可能高的结构分辨率与电子态分辨率，研究团队耗时多年精心制备器件：将实验所用二维半导体材料二硒化钼，夹在顶层石墨层与底层硅片‑氮化硼复合层之间。金属探针穿过石墨层上开设的微小孔洞，对二硒化钼开展扫描。

借助这套装置，团队对不同缺陷密度的半导体样品完成成像。每采集一组图像后，研究人员会调整二维器件内部的电子密度，以此观察材料从维格纳固体态向费米液体态转变的全过程。

成像结果表明：二维半导体材料内部缺陷数量，会让器件中的电子行为产生巨大差异。当缺陷数量较多时，电子会被束缚在稳定性超乎预期的维格纳固体态，排布形态高度杂乱无序；缺陷数量较少时，电子会形成规整的三角类晶体排布，也更容易转变为费米液体态。

Crommie回忆起初次看到图像、意识到发现全新物理现象时的感受：“亲眼看见维格纳固体如同液态波浪一般，撞上缺陷位置并发生‘熔化’，令人十分振奋。我们能够清晰看到电子面对不同缺陷时截然不同的反应：部分缺陷如同巨大坑洼，另一些则像是小小的减速带。”

实验图像与理论相互印证

为解释图像中观测到的电子‑缺陷相互作用，同时确认图像信号并非显微镜工作带来的伪影，团队需要将实验图像和理论模型做比对。但现有学术文献中，还没有能够精准仿真带有随机缺陷、强相互作用二维半导体体系成像结果的理论；想要通过复杂计算预测该条件下大量电子的行为，本身难度就很高。

研究团队采用一套名为量子蒙特卡洛的高级计算机仿真技术，基于量子力学定律计算二维半导体中电子与缺陷之间的强相互作用。仿真得到的电子行为，和显微镜实拍图像的特征高度吻合。

“这种惊人的一致性，同时证明了我们理论仿真工具和成像技术的可靠性，”Crommie表示，“也帮助我们更加透彻地理解图像观测现象背后的物理原理。”Crommie补充说明：随着器件研发人员持续推动电子设备、传感器以及各类半导体器件进一步微型化，控制缺陷的位置与缺陷类型，将会成为愈发关键的设计考量。

其他科研人员与器件开发者也可以借鉴该团队这套成像 + 理论仿真的完整研究框架，去解析其他二维半导体（尤其是具备强相互作用电子的材料）的电子特性。“如今手机、电脑所用半导体还不存在维格纳固体，但未来器件技术进一步发展后就有可能出现，”Crommie说，“我们的方法可以帮助科研人员和制造企业预判该条件下电子的行为规律，为设计性能更强、尺寸持续缩小的器件提供参考。”

目前该团队正在拓展研究方向：探究当电子被限制在半导体器件微小沟道中时，电子行为会发生怎样的改变；另一项目标是研究缺陷更少的二维半导体内部电子的运动规律。