類似DNA的材料可以製造出尺寸更小的電晶體。
文︱Purdue University
譯︱編輯部
計算機晶片是通過數十億個電晶體來處理信息的，晶片上的電晶體越多，計算機運行速度就越快。
在一種名為碲的稀土元素中，有一種類似一維DNA螺旋結構的材料，這種材料或許能進一步突破電晶體的尺寸限制。
研究人員發現，將這種材料封裝在氮化硼製成的納米管中，可製造直徑為2納米的場效應電晶體。市場上的電晶體是由矽製成的，尺寸在10到20納米之間。
這項研究發表在了《自然電子》雜誌上。普渡大學(Purdue University)的工程師與密西根理工大學(Michigan Technological University)、華盛頓大學聖路易斯分校(Washington University in St. Louis)和德克薩斯大學達拉斯分校(University of Texas at Dallas)合作完成了這項研究。
過去幾年中，研究人員在實驗室環境下已成功製成小至幾納米的電晶體，下一個目標是製造出原子大小的電晶體。
普渡大學（Purdue）葉培德的研究小組試圖利用比矽更薄的材料來製作尺寸更小但性能更高的電晶體。
葉培德、普渡大學的理察（Richard J.）和電機與計算機工程教授瑪麗·喬·施瓦茲（Mary Jo Schwartz）說：「這種碲材料是獨一無二的，它可以製造出世界上最小的功能電晶體。」
2018年，葉培德的研究小組發現了一種來自碲的二維材料——碲化物。他們發現用這種材料製成的電晶體可以承載更多的電流，從而提高效率。
這一發現讓他們更好奇碲還能對電晶體產生什麼影響。碲元素能夠以一維超薄材料的形式出現，有助於進一步縮小電晶體的尺寸。
縮小場效應電晶體的其中一種方法是，在更薄的納米線周圍建立柵極，納米線能被保護在納米管中。
普渡大學電子與計算機工程專業的博士生秦靜楷（Jing-Kai Qin）和廖培英（Pai-Ying Liao）帶頭進行了一項研究工作，主題為如何將碲製成單個原子鏈，並利用這些原子鏈或超薄納米線製造電晶體。
他們先開始培育一維碲原子鏈。普渡大學吳文卓（Wenzhuo Wu）的實驗小組合成了裸碲納米線以作對比，華盛頓大學李陽（Li Yang）領導的研究小組模擬了碲的行為。
研究人員驚奇地發現，一維鏈中的原子會進行擺動。這個現象是由德克薩斯大學達拉斯分校的Moon Kim和普渡大學的王海燕（Hai-Yan Wang）通過TEM成像觀測到的。
葉培德表示：「矽原子結構是筆直的，但這些碲原子就像一條蛇，是一種非常原始的結構。」
出現擺動現象的原因是原子以成對的形式緊密結合在一起，形成類似DNA的螺旋鏈，然後通過範德華相互作用的弱力疊加形成碲晶體。
葉培德說：「與其他材料相比，範德華相互作用將會使碲成為更有效的單原子鏈或一維納米線材料，因為碲更容易被放入納米管中。」
由於納米管的開口不能小於原子，而碲原子螺旋可以形成更小的納米線，從而製成更小尺寸的電晶體。
研究人員將碲納米線封裝在氮化硼納米管中，製造出了一種電晶體。該氮化硼納米管是由密西根理工大學的物理學教授Yoke Khin Yap的實驗室提供的，高質量的氮化硼納米管可以有效地隔離碲，增加製成電晶體的成功率。
許賢凡在普渡大學的實驗室中通過拉曼光譜法表現出該材料的性能，以對其性能進行基準測試。
美國陸軍研究所是這項研究的資助方，其項目經理Joe Qiu說:「這項研究更多地展示了一種具有發展潛力的材料，它可以通過微型電晶體，以極低的功耗實現更快的計算速度。這項技術將為陸軍帶來重要作用。」
這項工作還得到了美國國家科學基金會、美國空軍科學研究所和美國國防部高級研究計劃局的部分資助。研究人員在伯克納米技術中心進行了實驗。
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