新晶体管可将全球数字能源预算削减 5%

作者：内布拉斯加大学林肯分校的 Scott Schrage

石墨烯（灰色）和氧化铬（蓝色）这两种材料的纳米级渲染，共同使内布拉斯加州和布法罗的研究人员能够制造一种新型晶体管。红色和绿色箭头代表自旋，这是一种与磁性相关的电子特性，可以读取为 1 或 0。图片来源：Advanced Materials / John Wiley & Sons, Inc.

对 20 世纪最小但最伟大的发明之一——晶体管进行新的改造，可以帮助满足世界对数字存储器不断增长的需求，同时从其耗电的饮食中减少高达 5% 的能量。

经过内布拉斯加大学林肯分校的 Christian Binek 和布法罗大学的 Jonathan Bird 和 Keke He 多年的创新，物理学家最近联手制造了第一个磁电晶体管。

内布拉斯加州物理学家彼得·道本（Peter Dowben）表示，除了抑制任何包含它的微电子设备的能耗外，该团队的设计还可以将存储某些数据所需的晶体管数量减少多达 75%，从而实现更小的设备。它还可以借给那些微电子钢制存储器，即使在关闭或突然断电之后，也能准确记住用户离开的位置。

“这次最新演示的影响是深远的，”Dowben 说，他最近与人合着了一篇关于这项工作的论文，该论文登上了Advanced Materials杂志的封面。

数以百万计的晶体管排列在每一个现代集成电路或微芯片的表面，而这些晶体管本身的制造数量惊人——仅在 2020 年就大约 1 万亿个——由业界最喜欢的半导体材料硅制成。通过调节微芯片内的电流流动，微型晶体管有效地充当纳米级开关，对于写入、读取和存储数据作为数字技术的 1 和 0 至关重要。

但道本说，硅基微芯片已接近其实际极限。这些限制让半导体行业调查并资助每一个有希望的替代方案。

“传统的集成电路正面临一些严重的问题，”内布拉斯加州的查尔斯·贝西物理学和天文学教授道本说。“它可以变得更小是有限度的。我们基本上已经达到了我们所说的 25 个或更少硅原子宽的范围。而且你会在（集成电路）上的每个设备产生热量，所以你也不能再带走足够的热量来使一切正常工作。”

即使随着计算机、服务器和互联网的广泛采用，对数字内存的需求以及容纳它所需的能量已经飙升，这种困境仍然迫在眉睫。支持微芯片的电视、车辆和其他技术的智能化只会增加这种需求。

“我们已经到了一个地步，我们将接近美国以前的能源消耗，只是为了记忆（单独），”Dowben 说。“而且它不会停止。

“因此，如果可能的话，你需要一些可以缩小得更小的东西。但最重要的是，你需要一些不同于硅晶体管的东西，这样你就可以大大降低功耗。”

'现在它起作用了，乐趣开始'

典型的硅基晶体管由多个端子组成。其中两个，称为源极和漏极，用作电子流过电路的起点和终点。在该通道上方是另一个终端，即大门。在栅极和源极之间施加电压可以决定电流以低电阻还是高电阻流动，从而导致分别编码为 1 或 0 的电子电荷的累积或缺失。但是随机存取存储器——大多数计算机应用程序所依赖的形式——需要持续的电源来维持这些二进制状态。

因此，该团队不再将电荷作为其方法的基础，而是转向自旋：一种与磁性相关的电子特性，它可以指向上方或下方，并且可以像电荷一样读取为 1 或 0。该团队知道流过石墨烯（一种只有一个原子厚的超坚固材料）的电子可以在相对较长的距离内保持其初始自旋方向——这是展示基于自旋电子的晶体管潜力的吸引人的特性。实际上控制这些自旋的方向，使用比传统晶体管少得多的功率，是一个更具挑战性的前景。

为此，研究人员需要用合适的材料在石墨烯上打底。幸运的是，Binek 已经花费了数年的时间来研究和修改这种材料，氧化铬。至关重要的是，氧化铬是磁电的，这意味着其表面原子的自旋可以通过施加少量的临时能量吸收电压从上到下翻转，反之亦然。

当施加正电压时，底层氧化铬的自旋指向上方，最终迫使石墨烯电流的自旋方向向左偏，并在此过程中产生可检测的信号。相反，负电压会使氧化铬的自旋向下翻转，石墨烯电流的自旋方向向右翻转，并产生一个与另一个明显可区分的信号。

“现在你开始获得非常好的保真度（在信号中），因为如果你坐在设备的一侧，并且你已经施加了电压，那么电流就会这样流动。你可以说那是'上，'”道本说。“但如果它告诉当前的方向是相反的，那显然是'关闭'。

“这可能会以极少的能源成本为您提供巨大的保真度。您所做的只是施加电压，然后它就会翻转。”

与该团队的演示一样有希望和实用，Dowben 表示，存在许多石墨烯的替代品，它们具有相同的单原子厚度，但也具有更适合磁电晶体管的特性。他说，与其他 2D 候选材料叠加氧化铬的竞赛已经开始，并标志着“不是某事，而是某事的开始”。

“现在它起作用了，乐趣就开始了，因为每个人都会有自己喜欢的 2D 材料，他们会尝试一下，”Dowben 说。“它们中的一些会更好，更好，而另一些则不会。但既然你知道它有效，那么值得投资那些其他更复杂的材料。

“现在每个人都可以参与其中，弄清楚如何让晶体管变得真正优秀和具有竞争力，并确实超越硅。”

道本说，到达那个点是一段漫长的旅程，“取得了巨大的进步”，尤其是来自比内克和伯德的二人组。

“这种项目展示了合作研究的影响力和有效性，”伯德说，“将内布拉斯加州在磁性材料方面的知名专业知识与布法罗在纳米级半导体设备方面的能力相结合。”

Dowben 仅讲述了该团队的一些重要进展。人们意识到磁电材料可以证明是一种可行的方法。氧化铬的鉴别。对它的修改，既是为了用电压而不是耗电的磁性来控制它的自旋，也是为了确保它可以在室温以上运行——因为，正如 Dowben 所说，“如果你要与半导体行业竞争，它不能只在冬天在内布拉斯加州工作。它必须在夏天在沙特阿拉伯工作。” 然后是有理论支持的计算机模拟和多个早期原型。

“这里没有爱迪生的时刻。你有点知道你要去哪里，但这需要一段时间，”道本说。“有很多技术问题要解决。这是一个艰难的过程，而且看起来并不漂亮。

“但有时结果绝对是惊人的，”他说，“而且很有趣。”