數(shù)十億個微型晶體管為現(xiàn)代智能手機(jī)提供處理能力，通過快速開關(guān)切換控制電子流動。

但是，將更多晶體管封裝到更小的器件中的不斷進(jìn)步正在推動傳統(tǒng)材料的物理極限。晶體管材料中常見的低效率會導(dǎo)致能量損失，從而導(dǎo)致熱量積聚和電池壽命縮短，因此研究人員正在尋求替代材料，使設(shè)備能夠以更低的功耗更高效地運行。

現(xiàn)在，在美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)進(jìn)行的一項實驗首次證明，電子開關(guān)是一種外來的超薄材料，可以在室溫下承載幾乎為零的電荷。研究人員在將材料置于低電流電場時證明了這種轉(zhuǎn)換。

該團(tuán)隊由澳大利亞莫納什大學(xué)的研究人員和包括伯克利實驗室科學(xué)家在內(nèi)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)，從頭開始研究材料，并在美國能源部勞倫斯伯克利分校的先進(jìn)光源(ALS)上用X射線進(jìn)行研究。國家實驗室(伯克利實驗室)。

這種被稱為鈉鉍(Na3Bi)的材料是已知為“拓?fù)銬irac半金屬”的兩種材料之一，這意味著它具有獨特的電子特性，可以調(diào)整為以不同的方式表現(xiàn) - 在某些情況下更像傳統(tǒng)材料，在其他情況下更像是拓?fù)洳牧?。其拓?fù)湫再|(zhì)首先在ALS的早期實驗中得到證實。

拓?fù)洳牧媳徽J(rèn)為是下一代晶體管以及其他電子和計算應(yīng)用的有希望的候選材料，因為它們有可能降低器件的能量損耗和功耗。這些特性可以在室溫下存在 - 這是與需要極度冷卻的超導(dǎo)體的重要區(qū)別 - 并且即使在材料具有結(jié)構(gòu)缺陷并且承受應(yīng)力時也能夠持久存在。

具有拓?fù)湫再|(zhì)的材料是全球科學(xué)界深入研究的焦點(參見相關(guān)文章)，2016年諾貝爾物理學(xué)獎授予與材料拓?fù)湫再|(zhì)相關(guān)的理論。

將ALS研究的材料從導(dǎo)電狀態(tài)切換到絕緣或非導(dǎo)電狀態(tài)很容易為未來的晶體管應(yīng)用做好準(zhǔn)備，參與最新研究的ALS的科學(xué)家Sung-Kwan Mo說道。研究。這項研究詳見12月10日的“ 自然 ” 雜志。

最新研究的另一個關(guān)鍵方面是，蒙納士大學(xué)的研究小組找到了一種方法，將其生長得非常薄，直到單層，以鈉和鉍原子的蜂窩狀排列，并控制它們產(chǎn)生的每層的厚度。

“如果你想制造一個設(shè)備，你想讓它變薄，”莫說。“這項研究證明它可以用于Na3Bi，它的電性能很容易用低電壓控制。我們距離拓?fù)渚w管更近了一步。”

蒙納士大學(xué)的物理學(xué)家Michael Fuhrer參與了這項研究，他說：“這一發(fā)現(xiàn)是朝著可以改變計算世界的拓?fù)渚w管方向邁出的一步。”

他補充說：“超低能量拓?fù)潆娮蛹夹g(shù)是解決現(xiàn)代計算能源日益增長的挑戰(zhàn)的潛在解決方案。信息和通信技術(shù)已占全球電力的8%，而且每十年都會增加一倍。”

在最新的研究中，研究人員使用稱為分子束外延的過程在ALS Beamline 10.0.1的超高真空下在硅晶片上生長材料樣品，在一側(cè)測量幾毫米。光束線允許研究人員生長樣品，然后在相同的真空條件下進(jìn)行實驗，以防止污染。

該光束線專門用于X射線技術(shù)，稱為角度分辨光電子能譜(ARPES)，它提供有關(guān)電子如何在材料中傳播的信息。在典型的拓?fù)洳牧现校娮訃@材料的邊緣流動，而其余材料用作防止這種流動的絕緣體。

在澳大利亞同步加速器上也對類似樣品進(jìn)行了一些X射線實驗，以證明超薄Na3Bi是獨立的，并且沒有與其生長的硅晶片發(fā)生化學(xué)相互作用。研究人員還在蒙納士大學(xué)用掃描隧道顯微鏡研究了樣本，這有助于確認(rèn)其他測量結(jié)果。

“在這些邊緣路徑中，電子只能向一個方向傳播，”莫納什大學(xué)物理學(xué)家馬克埃德蒙茲說。“這意味著不會出現(xiàn)'背散射'，這就是導(dǎo)致傳統(tǒng)電導(dǎo)體電阻的原因。”

在這種情況下，研究人員發(fā)現(xiàn)，超薄材料在受到電場作用時變得完全導(dǎo)電，并且當(dāng)受到稍高的電場時，也可以切換成整個材料的絕緣體。

Mo表示，電驅(qū)動開關(guān)是實現(xiàn)材料應(yīng)用的重要一步 - 其他一些研究工作已經(jīng)采用了化學(xué)摻雜或機(jī)械應(yīng)變等機(jī)制，這些機(jī)制對控制和執(zhí)行開關(guān)操作更具挑戰(zhàn)性。

埃德蒙茲表示，研究團(tuán)隊正在研究其他樣品，這些樣品可以以類似的方式開關(guān)，以指導(dǎo)新一代超低能量電子產(chǎn)品的開發(fā)。