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新型“谷电子”材料有望提升芯片信息处理能力,延续摩尔定律
李明 2018-05-06
导语

“这种材料与以前研究的谷电子材料不同,因为它在室温下具有这样的选择性,除光源外不需要额外的偏置,从而减轻了先前控制谷的严格要求。与之前的材料相比,SnS更容易处理。”

《自然·通讯》杂志的研究发现,硫化锡(SnS)是一种有潜力的“谷电子”晶体管材料,未来很有可能用于芯片制造,提升芯片的信息处理能力。

该研究由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的Jie Yao和加州大学伯克利分校材料科学与工程系的Shuren Lin领导。伯克利实验室的分子制造厂(Molecular Foundry)是美国能源部的一个设施,也为这项工作做出了贡献。

▍研究背景

几十年来,传统晶体管材料的改进一直维持着摩尔定律的发展,但现在芯片制造商们都在担心传统材料很快就会达到极限,担心摩尔定律会终止,电路无法再继续变小、变强。因此,全世界研究人员都在寻找新的材料来延续摩尔定律,希望利用材料的属性来提高芯片的计算能力。例如,自旋电子学是一种新的晶体管概念,它可以利用材料中电子的上下自旋作为晶体管的开/关状态。

▍硫化锡材料“谷电子”

“谷电子”(Valleytronics)是另一种新兴的方法,它利用晶体材料在特定光照条件下的高选择性响应来表示它们的开/关状态 - 即使用材料的能带结构,以便将0和1的信息存储在电子的独立能量谷中,这取决于材料的晶体结构。

图:利用“谷电子”不同的能极值(谷)和选择规则来存储0和1。在SnS中,这些极值对不同的极化光具有不同的形状和响应,能够直接识别出0和1。该示意图由空间曲面表示不同状态下电子能量的变化。能够看出曲面显示出了两个极谷。

▍研究意义

在这项新研究中,研究团队已经证明硫化锡能够吸收不同的偏振光,然后在不同的偏振下选择性地重新发射不同颜色的光。这对于同时访问常规电子和材料的谷底电子非常有用,这将显着提高该材料制成电路的计算能力和数据存储密度。

Jie Yao 说,“我们展示了一种具有独特能量谷的新材料,可以直接识别和单独控制。这一点非常重要,因为它为我们提供了一个平台,让我们了解了电子如何携带“谷”特性,以及如何在“谷”之间轻松存储和处理信息,这既有科学意义,也有工程意义。

该论文的第一作者Shuren Lin说,“这种材料与以前研究的谷电子材料不同,因为它在室温下具有这样的选择性,除光源外不需要额外的偏置,从而减轻了先前控制谷的严格要求。与之前的材料相比,SnS更容易处理。”

有了这一发现,研究人员将能够开发可运行的谷电子器件,这些器件有一天可以集成到电子电路中。这种新材料在光和谷之间的独特关系也可能为未来的混合电子/光子芯片铺平道路。

文章链接:

Shuren Lin, Alexandra Carvalho, Shancheng Yan, Roger Li, Sujung Kim, Aleksandr Rodin, Lídia Carvalho, Emory M. Chan, Xi Wang, Antonio H. Castro Neto, Jie Yao. Accessing valley degree of freedom in bulk Tin(II) sulfide at room temperature. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-03897-3

本文来源:微信公众号大国重器;

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  • 晶体管材料
  • 芯片制造
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作者 李明

博士生

北京航空航天大学

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  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
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