導讀
近日，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室首次演示了一種稱為「拓撲狄拉克半金屬」的超薄材料中的開關效應。這種材料能在室溫條件下幾乎零損耗地攜帶電荷。美國伯克利實驗室與澳大利亞莫納什大學的科學家們從零開始生長出這種材料，並通過X射線來研究它。
背景
我們幾乎每天都在使用智慧型手機，可是很少有人會知道：智慧型手機中強大的運算處理能力從何而來？
答案是：幾十億個電晶體在支持著這一強大的能力。這些電晶體快速切換開關狀態，實現對於電子流動的控制。
著名的「摩爾定律」曾指出：「當價格不變時，集成電路上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。」 所以，電子器件變得越來越小，而容納的電晶體卻越來越多。然而，隨著人類步入所謂的「後摩爾時代」，晶片上的電晶體尺寸縮小與數量增加的速度正不斷放緩，原因是「傳統材料（主要是矽）」製成的電晶體正在逼近其物理極限。一旦低於5納米，電晶體中的電子很容易產生「量子隧穿效應」，電晶體將不再可靠。
電晶體材料的「普遍低效率」會引起能量損耗，導致發熱以及電池壽命變短。因此，研究人員正滿懷熱情地追逐替代材料，讓電子器件實現「功耗更低，運行效率更高」。這些材料以二維材料為主要代表，接下來通過幾個例子展示一下相關的經典科研成果：
1）美國勞倫斯伯克利國家實驗室利用納米碳管和二硫化鉬（MoS2）研製出全球最小的電晶體，其電晶體製程僅為1納米。
包含二硫化鉬與1納米碳納米管門電路的電晶體示意圖 （圖片來源: Sujay Desai / 加州大學伯克利分校）
2）加拿大麥吉爾大學和蒙特婁大學的研究人員們的研究表明，黑磷有望成為電晶體的一種非常好的候選材料。
黑磷的摺疊蜂巢晶體結構示意圖（圖片來源：Vahid Tayari / 麥吉爾大學）
3）愛爾蘭都柏林大學聖三一學院的科學家們利用二維材料（石墨烯、二硒化鎢、氮化硼）噴墨列印電晶體。
（圖片來源：都柏林大學聖三一學院）
4）奧地利維也納技術大學的科研團隊和歐盟石墨烯旗艦項目的科研人員合作研製出由二維材料二硫化鉬（MoS2）製成的電晶體。
（圖片來源: Stefan Wachter/維也納技術大學)
5）瑞士聯邦材料與測試國家實驗室（Empa）與德國美因茨馬克斯普朗克研究所、美國加州大學伯克利分校的研究人員展開合作，製造出了由石墨烯納米帶製成的納米電晶體，厚度僅為幾個原子的寬度。
6）瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）研究人員採用兩種二維材料：二硒化鎢（WSe2）和二硫化鉬（MoS2），製造出基於「激子」的新型電晶體。
此外，在先前的文章中，筆者還介紹過一種奇特的材料：「拓撲材料」。這種材料中的載流電子的狀態非常「健壯」，對於缺陷和混亂具有免疫功能，由於對稱性，它們不會發生散射。這種對稱性保護帶來了極高的載流子遷移率，使得電阻很低，甚至為零。因此，它有望大幅減少電子器件產生的熱量，提高能量效率。
美國路易斯安那州立大學、杜蘭大學、美國橡樹嶺國家實驗室、國家高磁場實驗室、佛羅裡達州立大學和紐奧良大學的研究人員們展開聯合研究，報告了首次對於磁場中的這種拓撲行為的觀測。
研究人員表示，他們的首次觀測成為了新型量子材料發展的重要裡程碑，並為後續探索開啟了新機遇。這種幾乎無質量的載流子行為，為新型極低功耗器件的概念研究提供了新的可能性。
創新
今天，筆者要介紹的是拓撲材料在電晶體方面的新應用。
近日，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）首次演示了一種「新奇」超薄材料中的電子開關。這種材料能在室溫條件下「幾乎零損耗」地攜帶電荷。當將這種材料遭受到一個低電流電場時，研究人員演示了這種開關效應。
澳大利亞莫納什大學（Monash University）的研究人員們以及美國伯克利實驗室的科學家們領導的科研團隊，從零開始生長出這種材料，並通過美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的基礎設施：先進光源（ALS）中的X射線來研究這種材料。
這種材料稱為「鉍化鈉（Na3Bi）」，是一種被稱為「拓撲狄拉克半金屬」的材料。也就是說，它具有獨特的電子特性，可以調諧為不同的表現方式，在某些情況下更像「傳統材料」，而在另一些情況下更像「拓撲材料」。更早些時候，在 ALS 展開的實驗中，這種材料的拓撲特性得到首次確認。
澳大利亞同步加速器、新加坡科技設計大學、新加坡國立大學、美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校、耶魯-新加坡國立大學學院的科學家們也參與了這項研究。研究得到了美國能源部科學辦公室、澳大利亞研究委員會卓越中心以及 DECRA 研修項目基金、國際同步加速器接入項目以及莫納什大學原子薄度材料研究中心的支持。相關研究的細節發表在12月10日出版的科學期刊《自然（Nature）》上。
從左到右： 伯克利實驗室先進光源（ALS）的博士後研究員 Shujie Tang； ALS 研究員 Sung-Kwan Mo；莫納什大學研究人員 James Collins 與 Mark Edmonds 於11月份在 ALS 光束線 10.0.1 開展實驗時在一起拍照留影。（圖片來源：Marilyn Chung/伯克利實驗室）
技術
拓撲材料有望減少器件中的能量損耗與功率損耗，因此被認為是下一代電晶體以及其他電子與計算機應用的「有前途」的候選材料。這些特性能在室溫條件下保持，相對於需要極端低溫條件的超導體來說，這是一個非常重要的區別。而且，當材料具有結構缺陷或者承受壓力時，這些特性能夠得到繼續保持。
具有拓撲特性的材料是全球科學界重點研究的領域。2016年的諾貝爾物理獎就用於獎勵與材料拓撲特性相關的理論研究。
ALS 研究員、最新研究的參與者 Sung-Kwan Mo 表示，將 ALS 研究的材料輕鬆地從「導電狀態」轉化為「絕緣狀態（非導電狀態）」，對於未來電晶體應用來說是一個好兆頭。
這項最新研究的另一個關鍵方面，就是莫納什大學的團隊找到了一種方法，以極薄方式（薄度相當於蜂巢狀排列的鈉原子與鉍原子單層）生長它，並且控制創造出的每一層的厚度。
Mo 表示：「如果你要製作一個器件，你就可能會想要它薄。這項研究證明了 Na3Bi 可以做到，而且它的導電性能可通過低電壓簡單控制。我們離拓撲電晶體又更近了一步。」
在最新研究中，在 「ALS 光束線（Beamline）10.0.1」 的「超高真空」條件下 ，研究人員們採用了一種稱為「分子束外延」的工藝，在一個矽晶圓上生長了一邊長達幾毫米的材料樣本。這個光束線讓研究人員們能在真空條件下生長樣本並且展開實驗，從而防止汙染。
澳大利亞莫納什大學研究員 James Collins 在作為伯克利實驗室先進光源一部分的光束線 10.0.1 進行實驗（圖片來源：Marilyn Chung/伯克利實驗室）
這個光束線的專長是一種稱為「角分辨光電子能譜（ARPES）」的X射線技術，它提供了有關電子在材料中如何移動的信息。在典型的拓撲材料中，電子沿著材料邊緣流動，而材料其他部分成為阻礙電子流動的絕緣體。
伯克利實驗室先進光源的研究人員們採用一種稱為「ARPES」的X射線技術拍攝這些圖片。圖片展示了超薄材料中電子的能量範圍。（圖片來源：伯克利實驗室、莫納什大學）
澳大利亞同步加速器（Australian Synchrotron）也展開了一些針對類似樣本的X射線實驗，演示了超薄 Na3Bi 無需依靠支撐物，且不會與矽晶圓（Na3Bi 生長在矽晶圓上面）產生化學相互作用。研究人員們也通過莫納什大學的掃描式隧道顯微鏡（用於幫助確認其他測量）研究了樣本。
伯克利實驗室先進光源的光束線 10.0.1 儀器設施，用於生長和研究稱為「鉍化鈉」的特異性材料。（圖片來源:Marilyn Chung/伯克利實驗室）
莫納什大學物理學家、研究領頭人 Mark Edmonds 表示：「在這些邊緣路徑上，電子只能朝著一個方向運動。而這意味著，沒有『背散射』，而『背散射』會導致傳統導體中產生電阻。」
莫納什大學物理學家 Mark Edmonds 正在伯克利實驗室的先進光源光束線 10.0.1 開展工作（圖片來源：:Marilyn Chung/伯克利實驗室）
在這個案例中，研究人員們發現：當超薄材料受到電場影響時，會變成完全導電的；當它受到略高的電場影響時，整個材料也會變成一個絕緣體。
價值
Mo 表示，對於實現這種材料的應用來說，「電驅動開關」是重要的一步。其他的一些研究都在努力追逐更具挑戰性的「化學摻雜」或「力學應變」之類的機制，來控制並進行開關操作。
Edmonds 表示：「研究團隊正在繼續研究能以類似方式進行開關的其他樣本，從而引導新一代超低能量電子器件的開發。」
參與這項研究的莫納什大學物理學家 Michael Fuhrer 表示：「這項發現是朝著能改變計算領域的拓撲電晶體的方向邁出的一步。」 他補充道：「對於人類所面臨的現代計算中日益加劇的能源浪費挑戰來說，超低能量拓撲電子器件提供了一個潛在的答案。信息與通信技術耗費了全球電力的8%，這個數字每十年還會翻一番。」
關鍵字
電晶體、半導體、拓撲材料、計算機
參考資料
【1】https://newscenter.lbl.gov/2018/12/10/topological-matters-toward-a-new-kind-of-transistor/
【2】Juan Pablo Llinas, Andrew Fairbrother, Gabriela Borin Barin, Wu Shi, Kyunghoon Lee, Shuang Wu, Byung Yong Choi, Rohit Braganza, Jordan Lear, Nicholas Kau, Wonwoo Choi, Chen Chen, Zahra Pedramrazi, Tim Dumslaff, Akimitsu Narita, Xinliang Feng, Klaus Müllen, Felix Fischer, Alex Zettl, Pascal Ruffieux, Eli Yablonovitch, Michael Crommie, Roman Fasel, Jeffrey Bokor. Short-channel field-effect transistors with 9-atom and 13-atom wide graphene nanoribbons. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-00734-x
【3】James L. Collins, Anton Tadich, Weikang Wu, Lidia C. Gomes, Joao N. B. Rodrigues, Chang Liu, Jack Hellerstedt, Hyejin Ryu, Shujie Tang, Sung-Kwan Mo, Shaffique Adam, Shengyuan A. Yang, Michael S. Fuhrer, Mark T. Edmonds. Electric-field-tuned topological phase transition in ultrathin Na3Bi. Nature, 2018; DOI: 10.1038/s41586-018-0788-5