如下圖所示，石墨烯（灰色）和氧化鉻（藍(lán)色）這兩種材料的納米級(jí)渲染。紅色和綠色箭頭代表自旋，這是一種與磁性相關(guān)的電子特性，可以讀取為1或0。研究人員能夠借此制造一種新型晶體管。
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經(jīng)過內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的Christian Binek和布法羅大學(xué)的Jonathan Bird和Keke He多年的創(chuàng)新，物理學(xué)家最近聯(lián)手制造了第一個(gè)磁電晶體管。
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內(nèi)布拉斯加州材料與納米科學(xué)中心和內(nèi)布拉斯加州納米設(shè)施主任Christian Binek
內(nèi)布拉斯加州物理學(xué)家彼得·道本（Peter Dowben）表示，除了抑制任何包含它的微電子器件的能耗外，該團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)還可以將存儲(chǔ)某些數(shù)據(jù)所需的晶體管數(shù)量減少75%，從而實(shí)現(xiàn)更小的設(shè)備。它還可以作為那些微電子鋼制存儲(chǔ)器，即使在關(guān)閉或突然斷電之后，也能準(zhǔn)確記住用戶離開的位置。
Peter Dowben
數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的晶體管排列在每一個(gè)現(xiàn)代集成電路或微芯片的表面上，而這些晶體管本身的制造數(shù)量驚人——僅在2020年就大約1萬(wàn)億個(gè)——由業(yè)界最成熟的半導(dǎo)體材料硅制成。通過調(diào)節(jié)微芯片內(nèi)的電流流動(dòng)，微型晶體管有效地充當(dāng)納米級(jí)開關(guān)，這對(duì)于作為數(shù)字技術(shù)的1和0寫入、讀取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)至關(guān)重要。
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但道本說(shuō)，硅基微芯片已接近其實(shí)際極限。這些限制讓半導(dǎo)體行業(yè)調(diào)研、資助每一個(gè)有希望的替代方案。
“傳統(tǒng)的集成電路正面臨著一些嚴(yán)重的問題，”內(nèi)布拉斯加州的Charles Bessey物理學(xué)和天文學(xué)教授Dowben說(shuō)，“它可以縮小多少是有限度的。我們基本上已經(jīng)下降到我們所說(shuō)的25個(gè)或更少硅原子寬的范圍。而且，集成電路上的每個(gè)設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生熱量，因此也無(wú)法再帶走足夠的熱量來(lái)使所有設(shè)備正常工作。”
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隨著計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛采用，對(duì)數(shù)字內(nèi)存的需求以及容納它所需的能量飆升，這種困境仍然存在。支持微芯片的電視、車輛和其他技術(shù)的智能化只會(huì)增加這種需求。
“所以如果可能的話，你需要一些可以縮小的東西。但最重要的是，你需要一種不同于硅晶體管的東西，這樣你就可以大大降低功耗。”
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典型的硅基晶體管由多個(gè)端子組成。其中兩個(gè)，稱為源極和漏極，用作電子流過電路的起點(diǎn)和終點(diǎn)。在該通道上方是另一個(gè)終端，即大門。在柵極和源極之間施加電壓可以決定電流以低電阻還是高電阻流動(dòng)，從而導(dǎo)致分別編碼為1或0的電子電荷的累積或缺失。但是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器——大多數(shù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序所依賴的形式——需要持續(xù)的電源來(lái)維持這些二進(jìn)制狀態(tài)。
因此，該團(tuán)隊(duì)不再將電荷作為其方法的基礎(chǔ)，而是轉(zhuǎn)向自旋：一種與磁性相關(guān)的電子特性，它可以指向上方或下方，并且可以像電荷一樣讀取為1或0。該團(tuán)隊(duì)知道流經(jīng)石墨烯（一種只有一個(gè)原子厚的超堅(jiān)固材料）的電子可以在相對(duì)較長(zhǎng)的距離內(nèi)保持其初始自旋方向——這是展示基于自旋電子的晶體管潛力的吸引人的特性。實(shí)際上控制這些自旋的方向，使用比傳統(tǒng)晶體管少得多的功率，是一個(gè)更具挑戰(zhàn)性的前景。
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為此，研究人員需要用合適的材料在石墨烯上打底。幸運(yùn)的是，Binek已經(jīng)花費(fèi)了數(shù)年時(shí)間來(lái)研究和修改這種材料，氧化鉻。至關(guān)重要的是，氧化鉻是磁電的，這意味著其表面原子的自旋可以通過施加少量的臨時(shí)能量吸收電壓從上到下翻轉(zhuǎn)，反之亦然。
當(dāng)施加正電壓時(shí)，底層氧化鉻的自旋指向上方，最終迫使石墨烯電流的自旋方向向左偏，并在此過程中產(chǎn)生可檢測(cè)的信號(hào)。相反，負(fù)電壓會(huì)使氧化鉻的自旋向下翻轉(zhuǎn)，石墨烯電流的自旋方向向右翻轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生一個(gè)與另一個(gè)明顯可區(qū)分的信號(hào)。
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“現(xiàn)在你開始獲得非常好的保真度（在信號(hào)中），因?yàn)槿绻阕谠O(shè)備的一側(cè)，并且你已經(jīng)施加了電壓，那么電流就會(huì)這樣流動(dòng)，你可以說(shuō)那是開啟，”Dowben說(shuō)，“但如果它告訴當(dāng)前的方向是相反的，那顯然是關(guān)閉。”
“這可能會(huì)以極少的能源成本為您帶來(lái)巨大的保真度。你所做的只是施加電壓，然后它就翻轉(zhuǎn)了。”
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Dowben說(shuō)，存在許多石墨烯的替代品與該團(tuán)隊(duì)的演示一樣有希望和實(shí)用，它們具有相同的單原子厚度，但也具有更適合磁電晶體管的特性。他說(shuō)，與其他二維候選材料疊加氧化鉻的競(jìng)賽已經(jīng)開始，并標(biāo)志著“不是某事，而是某事的開始”。
“現(xiàn)在它起作用了，樂趣就開始了，因?yàn)槊總€(gè)人都會(huì)有自己喜歡的2D材料，他們會(huì)嘗試一下，”Dowben說(shuō)，“現(xiàn)在每個(gè)人都可以參與其中，弄清楚如何讓晶體管變得真正優(yōu)秀和具有競(jìng)爭(zhēng)力，并確實(shí)超越硅。”
“這種項(xiàng)目展示了合作研究的影響力和有效性，”伯德說(shuō)，“將內(nèi)布拉斯加州在磁性材料方面的知名專業(yè)知識(shí)與布法羅在納米級(jí)半導(dǎo)體設(shè)備方面的能力相結(jié)合。”
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Dowben僅講述了該團(tuán)隊(duì)的一些重要進(jìn)展。人們意識(shí)到磁電材料可以證明是一種可行的方法。氧化鉻的鑒別與修改，既是為了用電壓而不是耗電的磁性來(lái)控制它的自旋，也是為了確保它在高于室溫的情況下運(yùn)行——因?yàn)椋鏒owben所說(shuō)，“如果你要與半導(dǎo)體行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，它不能只在冬天的內(nèi)布拉斯加州工作，它必須在夏天在沙特阿拉伯工作。”然后是有理論支持的計(jì)算機(jī)模擬和多個(gè)早期原型。
“這里沒有愛迪生式的時(shí)刻。你有點(diǎn)知道你要去哪里，但這需要一段時(shí)間，”道本說(shuō)，“有很多技術(shù)問題需要解決。這是一個(gè)艱難的過程，但有時(shí)結(jié)果絕對(duì)是壯觀且有趣的。”
該團(tuán)隊(duì)得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)已建立的刺激競(jìng)爭(zhēng)研究計(jì)劃的支持，該計(jì)劃資助了內(nèi)布拉斯加州2000萬(wàn)美元的新興量子材料和技術(shù)合作，以及來(lái)自半導(dǎo)體研究公司的支持。
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