未来技术面临一个古老的问题：生锈。当含铁金属与氧气和水气发生反应时，由此产生的腐蚀会极大地影响汽车部件的使用和寿命。虽然这在半导体工业中实际上并不被称为“生锈”，但氧化在二维（2D）半导体材料中尤其成问题，因为这些材料控制着电子设备中的电流，任何腐蚀都会使原子厚度的材料无法使用。

（图片来源：宾夕法尼亚州立大学）

据外媒报道，宾夕法尼亚州立大学（Penn State）等机构的研究团队开发出合成工艺，可用于生产具有附加特性的“防锈”涂层，非常适合用于制造速度更快、更耐用的电子产品。

2D材料具有超薄厚度，仅一至几个原子那么厚，有望成为先进的半导体材料。因为它可以提供更短和更直接的通道，以使电子在材料中快速移动，并且阻力更小。这反过来又可以实现更快和更有效的电子性能。

半导体只能在某些条件下导电，由此成为控制电子设备电流的理想材料。材料科学与工程学教授Joshua Robinson表示：“在研究的2D半导体过程中，我们发现的最大问题之一是材料氧化速度太快。人们需要确保这些材料的长期可靠性，因为它们会被用于晶体管或传感器，而这些器件可能要持续使用数年。现在，这些材料在户外的使用时间不超过一周。”

用于保护这些材料的传统防生锈方法是使用基于氧化物的涂层，但这些工艺通常使用水，反而有可能加速氧化。为了解决这一问题，该团队希望寻找一种可以完全不使用水的涂层材料和方法——非晶态氮化硼（a-BN）。Robinson表示：“我们希望在这个过程中避免使用水，因此我们开始考虑我们可以制造什么样的二维材料，可以在加工过程中不用水，非晶态氮化硼就是其中之一。”

a-BN是一种非结晶形式的氮化硼，具有高热稳定性和电绝缘性能，非常适合用于半导体绝缘组件，以防止产生不必要的电流并提高设备性能。另外， a-BN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，这是实现可靠电子性能的关键因素。 Robinson表示：“a-BN所展示的高介电强度可与现有最好的介电材料相媲美，而且我们不需要用水来制造它。相关论文表明，与单独使用传统电介质相比，使用非晶态氮化硼可以提高器件性能。”

虽然使用涂层有助于生产更好的2D晶体管，但在2D材料上进行涂覆被证明是一个挑战。二维材料缺乏悬挂键（dangling bonds），即在材料表面与其他原子发生反应或成键的未配对电子。标准单步工艺使用更高的温度来涂覆材料，但这会产生不均匀和不连续的涂层，远未达到电子设备正常运行所需的质量。

为了在2D材料上均匀地涂覆a-BN，该团队开发出新的两步原子层沉积方法，首先沉积一层薄薄的低温a-BN“种子层”，然后将腔室加热到250-300摄氏度的标准沉积温度。这不仅能够在2D半导体上形成均匀的a-BN涂层，而且与不使用a-BN的器件相比，晶体管性能提高了30-100%（具体取决于晶体管设计）。Robinson表示：“当将2D半导体夹在非晶态氮化硼之间时，即使它是非晶态的，人们最终也会获得更平滑的电子通道，这将有助于提升电子技术。电子通过这种2D材料的速度，比夹在其他介电材料之间要快。”

研究人员指出，a-BN的表现已经优于其他介电材料，但这仍有改进空间。Robinson表示：“我们现在要完成的首要任务是提高材料的整体质量，并将其集成到一些可能出现在未来电子产品中的复杂结构。”