由明尼蘇達(dá)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種新材料，可以提高計(jì)算機(jī)處理和記憶的效率。研究人員在半導(dǎo)體研究公司的支持下申請(qǐng)了該材料專(zhuān)利，半導(dǎo)體行業(yè)的人們已經(jīng)要求提供材料樣品。

該研究結(jié)果發(fā)表在Nature Materials，這是由Nature Publishing Group出版的同行評(píng)審的科學(xué)期刊。

“我們使用的量子材料在過(guò)去幾年中引起了半導(dǎo)體行業(yè)的廣泛關(guān)注，但是以獨(dú)特的方式創(chuàng)造了它，從而產(chǎn)生了具有新的物理和自旋電子特性的材料，可以大大提高計(jì)算和存儲(chǔ)效率“首席研究員王建平說(shuō)，明尼蘇達(dá)大學(xué)杰出麥克奈特教授和Robert F. Hartmann電氣工程系主任。

這種新材料屬于一類(lèi)稱(chēng)為“拓?fù)浣^緣體”的材料，由于其獨(dú)特的自旋電子傳輸和磁性，最近由物理和材料研究界以及半導(dǎo)體工業(yè)研究過(guò)。拓?fù)浣^緣體通常使用單晶生長(zhǎng)工藝制造。另一種常見(jiàn)的制造技術(shù)使用稱(chēng)為分子束外延的工藝，其中晶體以薄膜生長(zhǎng)。這兩種技術(shù)都不能輕易擴(kuò)展用于半導(dǎo)體工業(yè)。

在這項(xiàng)研究中，研究人員開(kāi)始使用鉍硒(Bi2Se3)，一種鉍和硒的化合物。然后他們使用稱(chēng)為“濺射”的薄膜沉積技術(shù)，該技術(shù)由于碰撞而由靶材料中的離子和原子之間的動(dòng)量交換驅(qū)動(dòng)。雖然濺射技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)中很常見(jiàn)，但這是第一次用于制造拓?fù)浣^緣體材料，該材料可以按比例擴(kuò)展用于半導(dǎo)體和磁性工業(yè)應(yīng)用。

然而，濺射技術(shù)起作用的事實(shí)并不是實(shí)驗(yàn)中最令人驚訝的部分。濺射的拓?fù)浣^緣體層中小于6納米的納米尺寸晶粒為材料創(chuàng)造了新的物理性質(zhì)，改變了材料中電子的行為。在對(duì)新材料進(jìn)行測(cè)試后，研究人員發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)有材料相比，計(jì)算處理和內(nèi)存的效率提高了18倍。

“隨著晶粒尺寸的減小，我們經(jīng)歷了我們所謂的'量子限制'，其中材料中的電子起著不同的作用，使我們能夠更好地控制電子行為，”該研究的共同作者，明尼蘇達(dá)大學(xué)助理Tony Low說(shuō)。電氣與計(jì)算機(jī)工程教授。

研究人員使用明尼蘇達(dá)大學(xué)獨(dú)特的高分辨率透射電子顯微鏡(TEM)研究了這種材料，這是一種顯微技術(shù)，其中一束電子通過(guò)樣品傳輸形成圖像。

“利用我們先進(jìn)的像差校正掃描TEM，我們?cè)O(shè)法識(shí)別出這些納米尺寸的顆粒及其在薄膜中的界面，”明尼蘇達(dá)大學(xué)化學(xué)工程與材料科學(xué)與電子顯微專(zhuān)家副教授Andre Mkhoyan說(shuō)。

研究人員表示，這只是一個(gè)開(kāi)端，這一發(fā)現(xiàn)可以為半導(dǎo)體行業(yè)以及相關(guān)行業(yè)的更多進(jìn)步打開(kāi)大門(mén)，例如磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)技術(shù)。

“隨著這些材料的新物理學(xué)可能會(huì)出現(xiàn)許多新的應(yīng)用，”Mahendra DC(Dangi Chhetri)說(shuō)，該論文的第一作者和物理學(xué)博士。王教授實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生。

Wang同意這項(xiàng)前沿研究可能會(huì)產(chǎn)生重大影響。

“使用濺射工藝制造像鉍 - 硒化物基拓?fù)浣^緣體這樣的量子材料是違背該領(lǐng)域所有研究人員的直覺(jué)本能，實(shí)際上并沒(méi)有任何現(xiàn)有理論支持，”王說(shuō)。“四年前，在半導(dǎo)體研究公司和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的大力支持下，我們開(kāi)始尋找一種實(shí)用的途徑來(lái)尋找一種實(shí)用的途徑，以便為未來(lái)的計(jì)算和存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)展和應(yīng)用拓?fù)浣^緣體材料。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了拓?fù)浣^緣體材料的新理論。

“研究就是要耐心和與團(tuán)隊(duì)成員合作。這次有很大的回報(bào)，”王說(shuō)。