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科学家瞥见原子薄晶体管的内部工作原理

着眼于下一代科技产品,德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家团队首次了解了原子薄半导体器件内部的情况。通过这样做,他们发现在一个很小的空间内就可以实现计算的基本功能,以至于它实际上是一维的。

在7月18日发表于《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中,研究人员描述了如何看到一种新型的二维晶体管的详细内部工作原理。

晶体管充当计算机芯片的构建块,将电子传递给计算机处理所需的开关。未来的技术创新将需要找到一种在计算机芯片上安装更多晶体管的方法,因此专家已开始探索新的半导体材料,包括一种称为二硫化钼(MoS2)的材料。与当今的基于硅的设备不同,由这种新材料制成的晶体管允许在单个平面上进行开关信号。

物理学助理教授赖克吉(Keji Lai)和一个研究小组发现,采用这种新材料,导电信号发生的方式与硅发生的方式大不相同,这可以促进未来设备的节能。可以将硅晶体管视为灯泡:整个设备可以立即打开或关闭。相比之下,赖和团队使用2-D晶体管发现电流以更相位的方式移动,首先从边缘开始,然后才出现在内部。赖说,这表明使用一维边缘而不是二维平面,可以以更低的功率和更小的空间发送相同的电流。

“在物理学中,边缘状态通常会带来很多有趣的现象,在这里,它们是第一个打开的状态。将来,如果我们可以非常仔细地设计这种材料,那么这些边缘就可以承受全部电流。”赖说。“我们真的不需要整个东西,因为内部没有用。仅使边缘运行以使电流正常工作就可以大大降低功率损耗。”

多年来,研究人员一直在努力了解2-D晶体管内部发生的情况,以便更好地了解新材料的潜力和局限性。为诸如薄型计算机和手机之类的商用设备准备2D晶体管,预计还需要几年的时间。赖说,科学家需要更多信息,以了解哪些因素会干扰由新材料制成的设备的性能。

“这些晶体管完全是二维的,”赖说。“这意味着它们没有硅器件中出现的某些缺陷。另一方面,这并不意味着新材料是完美的。”

赖和他的团队使用了他发明的显微镜,并将微波指向二维设备。微波显微镜使用仅100纳米宽的尖端,使科学家可以观察晶体管内部的电导率变化。除了观察电流的运动外,科学家还发现了晶体管中间的螺纹状缺陷。赖说,这表明新材料将需要做得更干净以发挥最佳功能。

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