新開發(fā)量子電晶體具備全新電子效應(yīng)

　　美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員開發(fā)出一種新型的電晶體，利用具有所謂“量子自旋霍爾效應(yīng)”的材料，能夠制造出新型的拓?fù)鋱?chǎng)效電晶體(TFET)。這項(xiàng)研究結(jié)果已經(jīng)透過(guò)德州先進(jìn)運(yùn)算中心(TACC)的超級(jí)電腦得到了證實(shí)。

　　根據(jù)最近才剛加入德州農(nóng)工大學(xué)(Texas A&M University)，在新成立的材料科學(xué)系擔(dān)任助理教授的授錢曉峰表示，“我們發(fā)現(xiàn)，在厚度僅3個(gè)原子的平面層進(jìn)行沈積時(shí)，結(jié)晶晶格將會(huì)發(fā)生一種新的電子效應(yīng)——我們可稱其為量子自旋霍爾效應(yīng)(Hall effect)。”

　　當(dāng)電場(chǎng)關(guān)閉時(shí)，透過(guò)簡(jiǎn)單地施加一個(gè)沿著材料邊緣導(dǎo)電的垂直電場(chǎng)(如圖示的紅色交叉線)，可以開啟與關(guān)閉2D過(guò)渡金屬二硫?qū)倩?TMDC)的拓?fù)湎辔?。?dāng)電場(chǎng)開啟時(shí)，紅色交叉線斷開，在原子價(jià)與TMDC導(dǎo)電帶之間出現(xiàn)黑色間隙，顯示邊緣不再導(dǎo)電。

　　德州農(nóng)工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)系助理教授錢曉峰

　　利用像 TMDC 等大量散裝的拓?fù)洳牧?，研究人員們可在其頂部和底部進(jìn)行沈積，但這種材料的內(nèi)部是絕緣體。因此，錢曉峰及其他的研究人員們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)削薄至僅3個(gè)原子層厚時(shí)，僅在邊緣具有導(dǎo)電性。更重要的是，透過(guò)施加一個(gè)垂直電場(chǎng)后，這種導(dǎo)電性還可以加以切換——透過(guò)閘極開啟和關(guān)閉，就像普通的 FET 一樣。更難得的是，制造出這種 TFET 自旋電子元件后，其電子導(dǎo)電性會(huì)根據(jù)自旋特性沿著邊緣以不同的方向進(jìn)行。

　　“更重要的是，電子會(huì)以一個(gè)方向向上自旋流動(dòng)，而其他的電子則在相反方向向下旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。因此，透過(guò)控制注入的帶電載流子，可以開發(fā)出一種自旋的電晶體，”錢曉峰強(qiáng)調(diào)。

　　2D拓?fù)浣^緣體單層只在邊緣才具有導(dǎo)電性。圖中頂部與底部紫色部份之間存在黑色間隙?？v橫交錯(cuò)的紅色線條用于彌補(bǔ)這一間隙。紅色線條表示材料的邊緣狀態(tài)，可讓電子穿過(guò)間隙實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性。

　　除了錢曉峰以外，研究團(tuán)隊(duì)成員還包括MIT在拓?fù)湎辔慌c2D材料方面的專家——Ju Li、Liang Fu與Junwei Liu，以及TACC的超級(jí)電腦專家，在其 Stampede 與 Lonestar 超級(jí)電腦上執(zhí)行維也納大學(xué)開發(fā)的Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)運(yùn)算套件，協(xié)助他們證實(shí)研究的結(jié)果。

　　2D氮化硼(灰色部份)材料組成的量子電晶體示意圖。在頂部的矩形“閘極”施加電場(chǎng)時(shí)，可開關(guān)切換中間層(黃色部份)的量子狀態(tài)。被切換區(qū)域的邊緣可作為完美的量子線，從而實(shí)現(xiàn)具有低損耗的新型電子元件。

　　下一步，研究團(tuán)隊(duì)們打算尋找在室溫下具有相同或類似特性的新材料。他們已經(jīng)將理論報(bào)告提交給幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室，期望可在其他實(shí)驗(yàn)室中打造新的 TFET 。藉由結(jié)合 TFET 與超級(jí)電腦，研究人員們希望實(shí)現(xiàn)“馬約拉納費(fèi)米子”(Majorana fermion)零模式——拓?fù)淞孔舆\(yùn)算的關(guān)鍵。

　　“在 2D 材料研究領(lǐng)域充滿著各種機(jī)會(huì)與可能性。我們不只應(yīng)該研究石墨烯，在 2D 材料方面也存在許多機(jī)會(huì)。我們期望在不久的將將來(lái)能將2D材料導(dǎo)入實(shí)際應(yīng)用中。”這項(xiàng)研究的資金是由美國(guó)能源署(DoE)和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)提供的。