新型拓扑材料：有望带来超低功耗新型晶体管！

导读

近日，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室首次演示了一种称为“拓扑狄拉克半金属”的超薄材料中的开关效应。这种材料能在室温条件下几乎零损耗地携带电荷。美国伯克利实验室与澳大利亚莫纳什大学的科学家们从零开始生长出这种材料，并通过X射线来研究它。

背景

我们几乎每天都在使用智能手机，可是很少有人会知道：智能手机中强大的运算处理能力从何而来？

答案是：几十亿个晶体管在支持着这一强大的能力。这些晶体管快速切换开关状态，实现对于电子流动的控制。

著名的“摩尔定律”曾指出：“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。” 所以，电子器件变得越来越小，而容纳的晶体管却越来越多。然而，随着人类步入所谓的“后摩尔时代”，芯片上的晶体管尺寸缩小与数量增加的速度正不断放缓，原因是“传统材料（主要是硅）”制成的晶体管正在逼近其物理极限。一旦低于5纳米，晶体管中的电子很容易产生“量子隧穿效应”，晶体管将不再可靠。

晶体管材料的“普遍低效率”会引起能量损耗，导致发热以及电池寿命变短。因此，研究人员正满怀热情地追逐替代材料，让电子器件实现“功耗更低，运行效率更高”。这些材料以二维材料为主要代表，接下来通过几个例子展示一下相关的经典科研成果：

1）美国劳伦斯伯克利国家实验室利用纳米碳管和二硫化钼（MoS2）研制出全球最小的晶体管，其晶体管制程仅为1纳米。

下图为包含二硫化钼与1纳米碳纳米管门电路的晶体管示意图

（图片来源: Sujay Desai / 加州大学伯克利分校）

2）加拿大麦吉尔大学和蒙特利尔大学的研究人员们的研究表明，黑磷有望成为晶体管的一种非常好的候选材料。

黑磷的折叠蜂巢晶体结构示意图（图片来源：Vahid Tayari / 麦吉尔大学）

3）爱尔兰都柏林大学圣三一学院的科学家们利用二维材料（石墨烯、二硒化钨、氮化硼）喷墨打印晶体管。

（图片来源：都柏林大学圣三一学院）

4）奥地利维也纳技术大学的科研团队和欧盟石墨烯旗舰项目的科研人员合作研制出由二维材料二硫化钼（MoS2）制成的晶体管。

（图片来源: Stefan Wachter/维也纳技术大学)

5）瑞士联邦材料与测试国家实验室（Empa）与德国美因茨马克斯普朗克研究所、美国加州大学伯克利分校的研究人员展开合作，制造出了由石墨烯纳米带制成的纳米晶体管，厚度仅为几个原子的宽度。

（图片来源：参考资料【2】）

6）瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）研究人员采用两种二维材料：二硒化钨（WSe2）和二硫化钼（MoS2），制造出基于“激子”的新型晶体管。

此外，在先前的文章中，笔者还介绍过一种奇特的材料：“拓扑材料”。这种材料中的载流电子的状态非常“健壮”，对于缺陷和混乱具有免疫功能，由于对称性，它们不会发生散射。这种对称性保护带来了极高的载流子迁移率，使得电阻很低，甚至为零。因此，它有望大幅减少电子器件产生的热量，提高能量效率。

美国路易斯安那州立大学、杜兰大学、美国橡树岭国家实验室、国家高磁场实验室、佛罗里达州立大学和新奥尔良大学的研究人员们展开联合研究，报告了首次对于磁场中的这种拓扑行为的观测。

（图片来源：美国橡树岭国家实验室）

研究人员表示，他们的首次观测成为了新型量子材料发展的重要里程碑，并为后续探索开启了新机遇。这种几乎无质量的载流子行为，为新型极低功耗器件的概念研究提供了新的可能性。

创新

今天，笔者要介绍的是拓扑材料在晶体管方面的新应用。

近日，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）首次演示了一种“新奇”超薄材料中的电子开关。这种材料能在室温条件下“几乎零损耗”地携带电荷。当将这种材料遭受到一个低电流电场时，研究人员演示了这种开关效应。

澳大利亚莫纳什大学（Monash University）的研究人员们以及美国伯克利实验室的科学家们领导的科研团队，从零开始生长出这种材料，并通过美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的基础设施：先进光源（ALS）中的X射线来研究这种材料。

这种材料称为“铋化钠（Na3Bi）”，是一种被称为“拓扑狄拉克半金属”的材料。也就是说，它具有独特的电子特性，可以调谐为不同的表现方式，在某些情况下更像“传统材料”，而在另一些情况下更像“拓扑材料”。更早些时候，在 ALS 展开的实验中，这种材料的拓扑特性得到首次确认。

澳大利亚同步加速器、新加坡科技设计大学、新加坡国立大学、美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、耶鲁-新加坡国立大学学院的科学家们也参与了这项研究。研究得到了美国能源部科学办公室、澳大利亚研究委员会卓越中心以及 DECRA 研修项目基金、国际同步加速器接入项目以及莫纳什大学原子薄度材料研究中心的支持。相关研究的细节发表在12月10日出版的科学期刊《自然（Nature）》上。

下图从左到右： 伯克利实验室先进光源（ALS）的博士后研究员 Shujie Tang； ALS 研究员 Sung-Kwan Mo；莫纳什大学研究人员 James Collins 与 Mark Edmonds 于11月份在 ALS 光束线 10.0.1 开展实验时在一起拍照留影。

（图片来源：Marilyn Chung/伯克利实验室）

技术

拓扑材料有望减少器件中的能量损耗与功率损耗，因此被认为是下一代晶体管以及其他电子与计算机应用的“有前途”的候选材料。这些特性能在室温条件下保持，相对于需要极端低温条件的超导体来说，这是一个非常重要的区别。而且，当材料具有结构缺陷或者承受压力时，这些特性能够得到继续保持。

具有拓扑特性的材料是全球科学界重点研究的领域。2016年的诺贝尔物理奖就用于奖励与材料拓扑特性相关的理论研究。

ALS 研究员、最新研究的参与者 Sung-Kwan Mo 表示，将 ALS 研究的材料轻松地从“导电状态”转化为“绝缘状态（非导电状态）”，对于未来晶体管应用来说是一个好兆头。

这项最新研究的另一个关键方面，就是莫纳什大学的团队找到了一种方法，以极薄方式（薄度相当于蜂巢状排列的钠原子与铋原子单层）生长它，并且控制创造出的每一层的厚度。

Mo 表示：“如果你要制作一个器件，你就可能会想要它薄。这项研究证明了 Na3Bi 可以做到，而且它的导电性能可通过低电压简单控制。我们离拓扑晶体管又更近了一步。”

在最新研究中，在 “ALS 光束线（Beamline）10.0.1” 的“超高真空”条件下 ，研究人员们采用了一种称为“分子束外延”的工艺，在一个硅晶圆上生长了一边长达几毫米的材料样本。这个光束线让研究人员们能在真空条件下生长样本并且展开实验，从而防止污染。

下图所示：澳大利亚莫纳什大学研究员 James Collins 在作为伯克利实验室先进光源一部分的光束线 10.0.1 进行实验。

（图片来源：Marilyn Chung/伯克利实验室）

这个光束线的专长是一种称为“角分辨光电子能谱（ARPES）”的X射线技术，它提供了有关电子在材料中如何移动的信息。在典型的拓扑材料中，电子沿着材料边缘流动，而材料其他部分成为阻碍电子流动的绝缘体。

下图所示：伯克利实验室先进光源的研究人员们采用一种称为“ARPES”的X射线技术拍摄这些图片。图片展示了超薄材料中电子的能量范围。

（图片来源：伯克利实验室、莫纳什大学）

澳大利亚同步加速器（Australian Synchrotron）也展开了一些针对类似样本的X射线实验，演示了超薄 Na3Bi 无需依靠支撑物，且不会与硅晶圆（Na3Bi 生长在硅晶圆上面）产生化学相互作用。研究人员们也通过莫纳什大学的扫描式隧道显微镜（用于帮助确认其他测量）研究了样本。

下图所示：伯克利实验室先进光源的光束线 10.0.1 仪器设施，用于生长和研究称为“铋化钠”的特异性材料。

（图片来源:Marilyn Chung/伯克利实验室）

莫纳什大学物理学家、研究领头人 Mark Edmonds 表示：“在这些边缘路径上，电子只能朝着一个方向运动。而这意味着，没有‘背散射’，而‘背散射’会导致传统导体中产生电阻。”

下图所示：莫纳什大学物理学家 Mark Edmonds 正在伯克利实验室的先进光源光束线 10.0.1 开展工作。

（图片来源：Marilyn Chung/伯克利实验室）

在这个案例中，研究人员们发现：当超薄材料受到电场影响时，会变成完全导电的；当它受到略高的电场影响时，整个材料也会变成一个绝缘体。

价值

Mo 表示，对于实现这种材料的应用来说，“电驱动开关”是重要的一步。其他的一些研究都在努力追逐更具挑战性的“化学掺杂”或“力学应变”之类的机制，来控制并进行开关操作。

Edmonds 表示：“研究团队正在继续研究能以类似方式进行开关的其他样本，从而引导新一代超低能量电子器件的开发。”

参与这项研究的莫纳什大学物理学家 Michael Fuhrer 表示：“这项发现是朝着能改变计算领域的拓扑晶体管的方向迈出的一步。” 他补充道：“对于人类所面临的现代计算中日益加剧的能源浪费挑战来说，超低能量拓扑电子器件提供了一个潜在的答案。信息与通信技术耗费了全球电力的8%，这个数字每十年还会翻一番。”

关键字

晶体管、半导体、拓扑材料、计算机

参考资料

【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