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拓扑问题走向一种新型晶体管

发布时间:2019-01-28 09:52:18 来源:

数十亿个微型晶体管为现代智能手机提供处理能力,通过快速开关切换控制电子流动。

但是,将更多晶体管封装到更小的器件中的不断进步正在推动传统材料的物理极限。晶体管材料中常见的低效率会导致能量损失,从而导致热量积聚和电池寿命缩短,因此研究人员正在寻求替代材料,使设备能够以更低的功耗更高效地运行。

现在,在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)进行的一项实验首次证明,电子开关是一种外来的超薄材料,可以在室温下承载几乎为零的电荷。研究人员在将材料置于低电流电场时证明了这种转换。

该团队由澳大利亚莫纳什大学的研究人员和包括伯克利实验室科学家在内的研究人员领导,从头开始研究材料,并在美国能源部劳伦斯伯克利分校的先进光源(ALS)上用X射线进行研究。国家实验室(伯克利实验室)。

这种被称为钠铋(Na3Bi)的材料是已知为“拓扑Dirac半金属”的两种材料之一,这意味着它具有独特的电子特性,可以调整为以不同的方式表现 - 在某些情况下更像传统材料,在其他情况下更像是拓扑材料。其拓扑性质首先在ALS的早期实验中得到证实。

拓扑材料被认为是下一代晶体管以及其他电子和计算应用的有希望的候选材料,因为它们有可能降低器件的能量损耗和功耗。这些特性可以在室温下存在 - 这是与需要极度冷却的超导体的重要区别 - 并且即使在材料具有结构缺陷并且承受应力时也能够持久存在。

具有拓扑性质的材料是全球科学界深入研究的焦点(参见相关文章),2016年诺贝尔物理学奖授予与材料拓扑性质相关的理论。

将ALS研究的材料从导电状态切换到绝缘或非导电状态很容易为未来的晶体管应用做好准备,参与最新研究的ALS的科学家Sung-Kwan Mo说道。研究。这项研究详见12月10日的“ 自然 ” 杂志。

最新研究的另一个关键方面是,蒙纳士大学的研究小组找到了一种方法,将其生长得非常薄,直到单层,以钠和铋原子的蜂窝状排列,并控制它们产生的每层的厚度。

“如果你想制造一个设备,你想让它变薄,”莫说。“这项研究证明它可以用于Na3Bi,它的电性能很容易用低电压控制。我们距离拓扑晶体管更近了一步。”

蒙纳士大学的物理学家Michael Fuhrer参与了这项研究,他说:“这一发现是朝着可以改变计算世界的拓扑晶体管方向迈出的一步。”

他补充说:“超低能量拓扑电子技术是解决现代计算能源日益增长的挑战的潜在解决方案。信息和通信技术已占全球电力的8%,而且每十年都会增加一倍。”

在最新的研究中,研究人员使用称为分子束外延的过程在ALS Beamline 10.0.1的超高真空下在硅晶片上生长材料样品,在一侧测量几毫米。光束线允许研究人员生长样品,然后在相同的真空条件下进行实验,以防止污染。

该光束线专门用于X射线技术,称为角度分辨光电子能谱(ARPES),它提供有关电子如何在材料中传播的信息。在典型的拓扑材料中,电子围绕材料的边缘流动,而其余材料用作防止这种流动的绝缘体。

在澳大利亚同步加速器上也对类似样品进行了一些X射线实验,以证明超薄Na3Bi是独立的,并且没有与其生长的硅晶片发生化学相互作用。研究人员还在蒙纳士大学用扫描隧道显微镜研究了样本,这有助于确认其他测量结果。

“在这些边缘路径中,电子只能向一个方向传播,”莫纳什大学物理学家马克埃德蒙兹说。“这意味着不会出现'背散射',这就是导致传统电导体电阻的原因。”

在这种情况下,研究人员发现,超薄材料在受到电场作用时变得完全导电,并且当受到稍高的电场时,也可以切换成整个材料的绝缘体。

Mo表示,电驱动开关是实现材料应用的重要一步 - 其他一些研究工作已经采用了化学掺杂或机械应变等机制,这些机制对控制和执行开关操作更具挑战性。

埃德蒙兹表示,研究团队正在研究其他样品,这些样品可以以类似的方式开关,以指导新一代超低能量电子产品的开发。

Advanced Light Source是DOE科学用户设施办公室。

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