研究人員發(fā)現(xiàn)了迄今為止最快的半導(dǎo)體

來源：Spectrum IEEE

一種新的半導(dǎo)體依靠緩慢但穩(wěn)定的準(zhǔn)粒子來完成工作。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了他們所說的迄今為止最快、最高效的半導(dǎo)體。盡管這種新材料是用地球上最稀有的元素之一制成，但研究人員表示，有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)由更豐富的材料制成的替代物，其運(yùn)行速度相當(dāng)快。

半導(dǎo)體幾乎是所有現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。然而，盡管半導(dǎo)體已經(jīng)變得司空見慣，但其速度仍然面臨限制。

這些速度限制的原因之一與原子振動(dòng)有關(guān)，原子振動(dòng)在固體材料中以聲子的準(zhǔn)粒子形式傳播。聲子可以散射在電子設(shè)備周圍攜帶能量和信息的粒子。這些通常是電子，但有時(shí)是更為奇特的粒子，例如激子（與帶正電的準(zhǔn)粒子對(duì)應(yīng)物即電子空穴結(jié)合的電子）。

在一項(xiàng)克服聲子可能引起的問題的新研究中，研究人員試驗(yàn)了由Re6Se8Cl2（一種由錸、硒和氯組成的分子）制成的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的原子形成稱為“超級(jí)原子”的簇，每個(gè)超級(jí)原子的行為就像一個(gè)大原子，但具有與用于構(gòu)建其元素不同的屬性。每個(gè)簇由六個(gè)錸原子組成的八面體組成，八面體位于由八個(gè)硒原子組成的立方體中，簇的頂部和底部各有一個(gè)氯原子。

“現(xiàn)在我們知道需要什么結(jié)構(gòu)和電子特性......我們很可能會(huì)找到這種在地球上貯藏豐富的能夠替代錸基材料的替代品?！?/p>

——Milan Delor，哥倫比亞大學(xué)

當(dāng)激子與Re6Se8Cl2中的聲子接觸時(shí)，在實(shí)際上并不是散射，而是結(jié)合在一起，形成聲激子極化子的新準(zhǔn)粒子。這些準(zhǔn)粒子能夠進(jìn)行彈道流動(dòng)或無散射流動(dòng)。

在室溫下的實(shí)驗(yàn)中，Re6Se8Cl2中的聲激子極化子的移動(dòng)速度是硅中電子的兩倍。這是第一種有人檢測(cè)到持續(xù)室溫彈道激子運(yùn)動(dòng)的材料。

半導(dǎo)體中的電子通常在以飛秒為單位測(cè)量的時(shí)間尺度上僅行進(jìn)納米后就會(huì)發(fā)生散射。相比之下，Re6Se8Cl2中的聲激子極化子在一納秒（大約長了6個(gè)數(shù)量級(jí)）的過程中成功跨越了幾微米（大約遠(yuǎn)了3個(gè)數(shù)量級(jí)）。鑒于極化子可以持續(xù)約11納秒，科學(xué)家們認(rèn)為聲激子極化子在散射之前可以覆蓋超過25微米。

這些準(zhǔn)粒子是由光控制的而不是電流。這意味著基于其器件的處理速度可以達(dá)到飛秒，是當(dāng)前千兆赫電子器件所能達(dá)到的速度的一百萬倍。

研究人員最初并沒有對(duì)Re6Se8Cl2進(jìn)行測(cè)試，認(rèn)為結(jié)果會(huì)證明它是一種新型改進(jìn)的半導(dǎo)體。相反，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室顯微鏡上測(cè)試了一種他們認(rèn)為不應(yīng)該進(jìn)行任何操作的材料。研究資深作者、紐約哥倫比亞大學(xué)物理化學(xué)家Milan Delor表示，他們最終發(fā)現(xiàn)了其所見過的最快的半導(dǎo)體。

經(jīng)過兩年的研究工作，Delor和他的同事現(xiàn)在相信，他們理解了Re6Se8Cl2表現(xiàn)得如此非凡的原理。事實(shí)證明，與硅中的電子相比，這種半導(dǎo)體中的激子移動(dòng)非常緩慢。然而，這意味著激子可以與同樣緩慢移動(dòng)的聲子配對(duì)。由此產(chǎn)生的準(zhǔn)粒子是“重的”，這意味著它們移動(dòng)緩慢但穩(wěn)定。相比之下，電子是“輕的”，這意味著它們會(huì)有更多反彈，最終實(shí)際上無法移動(dòng)得很遠(yuǎn)或很快。

Re6Se8Cl2以及石墨和六方氮化硼也是所謂的范德華材料。這些材料由光滑的原子薄層的堆疊薄膜制成，通過稱為范德華相互作用的弱電力粘合在一起，這種力通常使膠帶發(fā)粘。先前的研究表明，當(dāng)不同范德華材料的原子薄片相互疊放以形成所謂的異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)新的混合特性。

Re6Se8Cl2面臨的一個(gè)主要問題是，錸是地球上最稀有的元素之一。這使得Re6Se8Cl2非常昂貴，而且不太可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

然而，Re6Se8Cl2屬于具有相同結(jié)構(gòu)和電子特性的超原子半導(dǎo)體家族。其中許多材料是由更加豐富的元素制成的。其中包括最近發(fā)現(xiàn)的一種名為graphullerene的全碳材料，它類似于排列成片狀的碳球。

Delor表示：“既然我們知道了實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)的新的傳輸機(jī)制需要什么結(jié)構(gòu)和電子特性，那么我們很可能會(huì)找到地球上貯藏豐富的替代品來代替錸基材料，替代材料也會(huì)表現(xiàn)出令人震驚的傳輸特性。”

總而言之，研究人員認(rèn)為聲激子極化子“可能是在不同材料中實(shí)現(xiàn)長程能量流的通用方法，而傳統(tǒng)上預(yù)計(jì)這些材料不會(huì)表現(xiàn)出良好的傳輸特性，” Delor表示，“這是一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，我們期待將其應(yīng)用于更多系統(tǒng)?！?/p>

這項(xiàng)工作的另一個(gè)提醒是它依賴于激子而不是電子。Delor表示：“雖然激子像電子一樣攜帶信息和能量，但它們不一定與半導(dǎo)體行業(yè)當(dāng)前使用的硬件兼容”，因此，這些半導(dǎo)體的應(yīng)用“可能與傳統(tǒng)半導(dǎo)體的應(yīng)用不同”。

Delor表示，由這些半導(dǎo)體制成的潛在器件可能包括使用激子而不是電子的“彈道晶體管”。可能還可以用作非常高效的光探測(cè)器，或者用于計(jì)算以減少能量損失并提高性能。

審核編輯：湯梓紅