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美国能源部与高效合作研究出新型“谷电子”材料,有望提升芯片信息处理能力,延续摩尔定律

《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。

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