美国斯蒂文斯理工开发出新型磁性半导体,操作电子器件新方式

近日，美国斯蒂文斯理工学院的研究人员开发出一款原子级薄度的新型磁性半导体，用这种磁性半导体可以开发出一款以全新方式运作的新型晶体管。这种晶体管不仅可以利用电子的电荷特性，也可以利用电子的自旋特性，从而为创造更小更快的电子器件提供了一种替代性方案。这项新发现于2020年4月份发表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上。解决了科学界一个最棘手的难题。

这项发现并不是依赖打造越来越小的电气元件，而是有望为推动自旋电子学领域的发展提供一个关键平台，为操作电子器件提供一种全新的方式，以及为标准电子器件的继续小型化提供一种急需的替代方案。除了去除小型化道路上的障碍，这款原子级薄度的新型磁体也将实现更快的处理速度、更低的能耗以及更高的存储容量。

（图片来源：斯蒂文斯理工学院）

如今，智能手机、笔记本电脑等电子产品的小型化已经成为一种趋势，在这些产品内控制电流与存储信息的晶体管也在越变越小。著名的摩尔定律曾指出：“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”

摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量（1976-2016）（图片来源：维基百科）

可是，随着晶体管尺寸逼近5纳米，我们就会遇到新的问题，例如“量子隧道效应”。也就是说，电子不再受制于欧姆定律，穿越了原本无法穿越的势垒，引起集成电路漏电现象，晶体管变得不再可靠。此外，随着单颗芯片上集成的晶体管数量不断增加，电荷带来的发热问题会更加严重，从而影响到芯片的处理速度与性能。这些问题严重阻碍了电子器件的小型化进程。

一般来说，传统的电子器件都是基于电子的电荷特性开发而成的。电荷在金属导体或者半导体中定向运动形成电流，电流可以传输与处理数据信息。但是，电流流经导体与半导体时，会不可避免地会散发热量，产生能耗。

值得庆幸的是，除了电荷这一特性，电子还具有另外一种与生俱来的量子物理特性：“自旋”。自旋，可以被理解为一种角动量，要么“向上”，要么“向下”。自旋着的电子可以创造出转移或存储信息的磁矩。

（图片来源：Sumio Ishihara）

基于电子的自旋特性创造出的新型电子器件，也称为“自旋电子器件”。自旋电子器件具有体积小、速度快、功耗低等优势。在后摩尔时代，自旋电子器件有望成为基于电荷的传统半导体器件的替代品。

基于磁振子的自旋晶体管（图片来源：L. Cornelissen）

这个项目的领头人、斯蒂文斯理工学院机械工程系教授 EH Yang 表示：“二维铁磁性半导体，是一种铁磁性和半导体性共存于一体的材料。因为我们的材料工作在室温条件下，所以我们就可以轻而易举地将它与成熟的半导体技术结合到一起。”

斯蒂文斯理工学院机械物理系教授 Stefan Strauf 表示：“这个材料中的磁场强度是 0.5 mT；虽然如此微弱的磁场无法吸起一个回形针，然而却足以改变电子的自旋，从而被量子位应用所利用。”

采用二维材料（仅两个原子的厚度）打造新型磁性半导体，将有利于开发出一款通过控制电子自旋（要么向上，要么向下）来控制电流的晶体管，而且整个器件将保持轻量、柔软、透明。

Yang 及其团队采用一种称为“原位替代掺杂”的方法，用孤立的铁原子替代掺杂二硫化钼晶体，成功合成了一款磁性半导体。在这个过程中，铁原子“赶走”某些钼原子，并取代它们的位置，准确地点说，创造出一种透明且柔软的磁性材料（仅两个原子的厚度）。这种材料被发现可在室温下保持磁性，并且因为它是一种半导体，所以未来可以直接集成到电子器件的现有架构中。

Yang 及其位于斯蒂文斯理工学院的团队与几个研究机构一起合作，一个原子接一个原子地对材料进行成像，以证明铁原子占据了某些钼原子的位置。这些研究结构包括罗切斯特大学、伦斯勒理工大学、布鲁克海文国家实验室、哥伦比亚大学。

斯蒂文斯理工学院机械工程系的博士研究生 Shichen Fu 表示：“要想在科学领域取得伟大的成就，你需要与其他人合作。这一次，我们召集了所有合适的人（具有不同优势和观点的实验室）来实现这一创举。”