如下圖所示，石墨烯（灰色）和氧化鉻（藍色）這兩種材料的納米級渲染。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。

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)手制造了第一個磁電晶體管。

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，該團隊的設(shè)計還可以將存儲某些數(shù)據(jù)所需的晶體管數(shù)量減少75%，從而實現(xiàn)更小的設(shè)備。它還可以作為那些微電子鋼制存儲器，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)以百萬計的晶體管排列在每一個現(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1萬億個——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，微型晶體管有效地充當(dāng)納米級開關(guān)，這對于作為數(shù)字技術(shù)的1和0寫入、讀取和存儲數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

但道本說，硅基微芯片已接近其實際極限。這些限制讓半導(dǎo)體行業(yè)調(diào)研、資助每一個有希望的替代方案。

“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，“它可以縮小多少是有限度的。我們基本上已經(jīng)下降到我們所說的25個或更少硅原子寬的范圍。而且，集成電路上的每個設(shè)備都會產(chǎn)生熱量，因此也無法再帶走足夠的熱量來使所有設(shè)備正常工作?！?/p>

隨著計算機、服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛采用，對數(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?！?/p>

典型的硅基晶體管由多個端子組成。其中兩個，稱為源極和漏極，用作電子流過電路的起點和終點。在該通道上方是另一個終端，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，從而導(dǎo)致分別編碼為1或0的電子電荷的累積或缺失。但是隨機存取存儲器——大多數(shù)計算機應(yīng)用程序所依賴的形式——需要持續(xù)的電源來維持這些二進制狀態(tài)。

因此，該團隊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。該團隊知道流經(jīng)石墨烯（一種只有一個原子厚的超堅固材料）的電子可以在相對較長的距離內(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，是一個更具挑戰(zhàn)性的前景。

為此，研究人員需要用合適的材料在石墨烯上打底。幸運的是，Binek已經(jīng)花費了數(shù)年時間來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，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)生可檢測的信號。相反，負電壓會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)生一個與另一個明顯可區(qū)分的信號。

“現(xiàn)在你開始獲得非常好的保真度（在信號中），因為如果你坐在設(shè)備的一側(cè)，并且你已經(jīng)施加了電壓，那么電流就會這樣流動，你可以說那是開啟，”Dowben說，“但如果它告訴當(dāng)前的方向是相反的，那顯然是關(guān)閉?！?/p>

“這可能會以極少的能源成本為您帶來巨大的保真度。你所做的只是施加電壓，然后它就翻轉(zhuǎn)了?！?/p>

Dowben說，存在許多石墨烯的替代品與該團隊的演示一樣有希望和實用，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，與其他二維候選材料疊加氧化鉻的競賽已經(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，因為每個人都會有自己喜歡的2D材料，他們會嘗試一下，”Dowben說，“現(xiàn)在每個人都可以參與其中，弄清楚如何讓晶體管變得真正優(yōu)秀和具有競爭力，并確實超越硅?！?/p>

“這種項目展示了合作研究的影響力和有效性，”伯德說，“將內(nèi)布拉斯加州在磁性材料方面的知名專業(yè)知識與布法羅在納米級半導(dǎo)體設(shè)備方面的能力相結(jié)合?！?/p>

Dowben僅講述了該團隊的一些重要進展。人們意識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控制它的自旋，也是為了確保它在高于室溫的情況下運行——因為，正如Dowben所說，“如果你要與半導(dǎo)體行業(yè)競爭，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?！比缓笫怯欣碚撝С值挠嬎銠C模擬和多個早期原型。

“這里沒有愛迪生式的時刻。你有點知道你要去哪里，但這需要一段時間，”道本說，“有很多技術(shù)問題需要解決。這是一個艱難的過程，但有時結(jié)果絕對是壯觀且有趣的。”

該團隊得到了美國國家科學(xué)基金會已建立的刺激競爭研究計劃的支持，該計劃資助了內(nèi)布拉斯加州2000萬美元的新興量子材料和技術(shù)合作，以及來自半導(dǎo)體研究公司的支持。

來源：University of Nebraska-Lincoln

https:///10.1002/adma.202105023