新型晶体管的卓越性能可能具有广泛的电子应用

Josiah02

　　2021 年，麻省理工学院物理学家领导的一个团队报告称，他们发明了一种新型超薄铁电材料，即正电荷和负电荷分离成不同层的材料。当时，他们指出这种材料在计算机内存等领域具有应用潜力。现在，同一个核心团队和同事（包括隔壁实验室的两位同事）用这种材料制造了一个晶体管，并证明了其特性非常有用，可以改变电子世界。
　　尽管该团队的成果是基于实验室中的单个晶体管，但“从多个方面来看，其性能已经达到或超过了当今生产的铁电晶体管的行业标准”，塞西尔和艾达·格林物理学教授 Pablo Jarillo-Herrero 说道，他与物理学教授 Raymond Ashoori 共同领导了这项研究。两人都隶属于材料研究实验室。
　　“在我的实验室里，我们主要研究基础物理。这是最早、也许是最引人注目的例子之一，展示了非常基础的科学如何导致某些可能对应用产生重大影响的事物，”Jarillo-Herrero 说。
　　Ashoori 说道：“回顾我的整个物理学生涯，我认为这项工作在未来 10 到 20 年后可能会改变世界。”
　　新型晶体管的卓越性能包括：
　　它可以在纳秒级（一纳秒是十亿分之一秒）内以极高的速度在正电荷和负电荷（本质上是数字信息的 1 和 0）之间切换。
　　它非常坚固。经过 1000 亿次开关后，它仍然正常工作，没有出现任何性能下降的迹象。
　　这种神奇的材料厚度仅为十亿分之一米，是世界上最薄的材料之一。这反过来又可以实现更密集的计算机内存存储。由于切换所需的电压与材料厚度成比例，它还可以制造出更节能的晶体管。（超薄等于超低电压。）
　　这项研究成果发表在最近一期的《科学》杂志上。论文的共同第一作者是康奈尔大学助理教授 Kenji Yasuda 和 Atom Computing 的 Evan Zalys-Geller。其他作者包括麻省理工学院物理学研究生 Xirui Wang、哈佛大学的 Daniel Bennett 和 Efthimios Kaxiras、麻省理工学院电气工程与计算机科学系助理教授、电子研究实验室成员 Suraj S. Cheema 以及日本国家材料科学研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi。
　　他们做了什么
　　在铁电材料中，正电荷和负电荷会自发地流向不同的一侧或极点。施加外部电场后，这些电荷会转换方向，从而反转极化。转换极化可用于编码数字信息，而这些信息将是非挥发性的，即随着时间的推移保持稳定。除非施加电场，否则信息不会改变。要使铁电材料广泛应用于电子产品，所有这些都需要在室温下进行。
　　2021 年《科学》杂志报道的新型铁电材料基于原子级薄的氮化硼薄片，这些薄片彼此平行堆叠，这种结构在自然界中并不存在。在块状氮化硼中，氮化硼的各个层会旋转 180 度。
　　事实证明，当将电场施加到这种平行堆叠结构上时，一层新型氮化硼材料会滑过另一层，从而略微改变硼原子和氮原子的位置。例如，想象一下你的每只手都只由一层细胞组成。这种新现象类似于将双手压在一起，然后略微将一只手移到另一只手上方。
　　“所以奇迹在于，只要将两层滑动几埃，就能得到截然不同的电子器件，”Ashoori 说道。原子的直径约为 1 埃。
　　另一个奇迹是：“滑动过程中不会出现任何磨损”，Ashoori 继续说道。这就是为什么新晶体管可以切换 1000 亿次而不会退化的原因。将其与使用传统材料制成的闪存驱动器中的内存进行比较。“每次写入和擦除闪存时，都会出现一些退化”，Ashoori 说。“随着时间的推移，它会磨损，这意味着你必须使用一些非常复杂的方法来分配你在芯片上读取和写入的位置。”新材料可能会使这些步骤过时。
　　共同努力
　　Yasuda 是本篇《科学》论文的共同第一作者，他对这项工作中涉及的合作表示赞赏。其中，“我们（Jarillo-Herrero 的团队）制作了这种材料，并与 Ray（Ashoori）和（共同第一作者）Evan（Zalys-Geller）一起详细测量了它的特性。这非常令人兴奋。”Ashoori 说，“我实验室中的许多技术自然而然地应用于隔壁实验室正在进行的工作。这很有趣。”
　　Ashoori 指出，“这背后有很多有趣的物理原理”可以探索。例如，“如果你考虑两层相互滑动，那么这种滑动从哪里开始？”此外，Yasuda 说，铁电性是否可以用电以外的其他东西（例如光脉冲）触发？材料可以进行的开关数量是否存在根本限制？
　　挑战依然存在。例如，目前生产新型铁电体的方法很困难，不利于大规模生产。“我们制作了一个晶体管作为演示。如果人们能在晶圆规模上培育这些材料，我们就能创造更多，”Yasuda 说。他指出，不同的团队已经在为此而努力。
　　Ashoori 总结道：“虽然存在一些问题，但只要解决了这些问题，这种材料就可以在很多方面适用于未来潜在的电子产品。这非常令人兴奋。”