迄今為止最快的半導(dǎo)體

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的，但研究人員建議，可能會發(fā)現(xiàn)由更豐富的材料制成的對應(yīng)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，但其速度仍然面臨著限制。這些速度限制的原因之一與原子振動有關(guān)，原子振動在固體材料中以稱為聲子的準(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)是更奇特的粒子，例如激子（與帶正電的準(zhǔn)粒子對應(yīng)物電子空穴結(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「超級原子」的簇，每個(gè)超級原子的行為都像一個(gè)大原子，但具有與用于構(gòu)建它們的元素不同的屬性。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，簇的頂部和底部有一個(gè)氯原子。

哥倫比亞大學(xué)的米蘭·德洛爾說：「現(xiàn)在我們知道需要什么結(jié)構(gòu)和電子特性...... 我們很可能會找到這種錸基材料的地球豐富的替代品?！?/p>

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

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

半導(dǎo)體中的電子通常在以飛秒為單位測量的時(shí)間尺度上僅行進(jìn)納米后就會發(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）的過程中成功跨越了幾微米（大約遠(yuǎn)了 3 個(gè)數(shù)量級）。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)粒子是由光而不是電流控制的。這意味著基于它們的設(shè)備的處理速度可以達(dá)到飛秒，是當(dāng)前千兆赫電子設(shè)備所能達(dá)到的速度的一百萬倍。

研究人員最初并沒有測試 Re6Se8Cl2，認(rèn)為它會證明是一種新的改進(jìn)的半導(dǎo)體。相反，他們在實(shí)驗(yàn)室顯微鏡上測試了一種他們認(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)家米蘭·德洛爾 (Milan Delor) 表示，他們最終看到了他們所見過的最快的半導(dǎo)體。

經(jīng)過兩年的工作，Delor 和他的同事現(xiàn)在相信他們理解了為什么 Re6Se8Cl2 表現(xiàn)出如此非凡的行為。事實(shí)證明，與硅中的電子相比，這種半導(dǎo)體中的激子移動非常慢。然而，這意味著激子可以與同樣緩慢移動的聲子配對。由此產(chǎn)生的準(zhǔn)粒子是「重的」，這意味著它們移動緩慢但穩(wěn)定。相比之下，電子是「光」，這意味著它們反彈太多，最終實(shí)際上無法走得很遠(yuǎn)或很快。

Re6Se8Cl2 與石墨和六方氮化硼一起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置形成所謂的異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，就會出現(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，而且不太可能進(jìn)入商業(yè)產(chǎn)品。

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豐富的元素制成的。這包括最近發(fā)現(xiàn)的一種全碳材料，名為 graphullerene，類似于排列成片狀的碳球。

「既然我們知道實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作中發(fā)現(xiàn)的新輸運(yùn)機(jī)制需要什么結(jié)構(gòu)和電子特性，那么我們很可能會找到地球上豐富的錸基材料替代品，這些材料也表現(xiàn)出令人印象深刻的輸運(yùn)特性，」Delor 說。

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)這些材料不會表現(xiàn)出良好的傳輸特性，」Delor 說。「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)警告是它依賴于激子而不是電子?！鸽m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，」Delor 說。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」。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」。這些可以用作非常高效的光探測器，或者用于計(jì)算以減少能量損失并提高性能。