2021 年，由麻省理工学院物理学家领导的团队报告称，他们创造了一种新型超薄铁电材料，即正电荷和负电荷分离到不同层的材料。当时，他们注意到该材料在计算机内存等领域的应用潜力。现在，同一个核心团队和同事（包括隔壁实验室的两名同事）已经用这种材料制造了一个晶体管，并表明其特性非常有用，可以改变电子世界。

塞西尔和艾达·格林物理学教授巴勃罗·贾里洛·埃雷罗 (Pablo Jarillo-Herrero) 表示，虽然该团队的结果是基于实验室中的单个晶体管，但“在几个方面，其性能已经达到或超过了当今生产的铁电晶体管的行业标准”。与物理学教授 Raymond Ashoori 一起领导了这项工作。两者都隶属于材料研究实验室。

“在我的实验室我们主要做基础物理学。这是第一个，也许也是最引人注目的例子之一，说明非常基础的科学如何导致对应用产生重大影响的事情，”Jarillo-Herrero 说。

Ashoori 说：“当我想到我在物理学领域的整个职业生涯时，我认为这项工作可能会在 10 到 20 年后改变世界。”

新型晶体管的卓越特性包括：

• 它可以在正极和负极之间切换负电荷——本质上是数字信息的 1 和 0——以非常高的速度，在纳秒时间尺度上。（纳秒是十亿分之一秒。）
• 这是非常艰难的。经过 1000 亿次开关后，它仍然可以正常工作，没有任何退化的迹象。
• 这种魔法背后的材料只有十亿分之一米厚，是世界上最薄的材料之一。反过来，这可以允许更密集的计算机内存存储。由于根据材料厚度切换尺度所需的电压，它还可能导致更节能的晶体管。（超薄等于超低电压。）

工作是发表在最近一期的科学。这篇论文的共同第一作者是康奈尔大学助理教授安田健二 (Kenji Yasuda) 和 Atom 计算公司的埃文·扎利斯-盖勒 (Evan Zalys-Geller)。其他作者包括麻省理工学院物理学研究生 Xirui Wang；哈佛大学的 Daniel Bennett 和 Efthimios Kaxiras；Suraj S. Cheema，麻省理工学院电气工程与计算机科学系助理教授，电子研究实验室附属机构；以及日本国家材料科学研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi。

他们做了什么

在铁电材料中，正电荷和负电荷自发地流向不同的一侧或两极。在施加外部电场时，这些电荷会切换方向，从而反转极化。切换偏振可用于编码数字信息，并且该信息将是非易失性的，或者随着时间的推移保持稳定。除非施加电场，否则它不会改变。为了使铁电体在电子领域得到广泛应用，所有这些都需要在室温下发生。

新型铁电材料报道在科学in 2021基于相互平行堆叠的原子级薄片氮化硼，这种结构在自然界中并不存在。在块状氮化硼中，氮化硼的各个层被旋转 180 度。

事实证明，当对这种平行堆叠结构施加电场时，新型氮化硼材料的一层会在另一层上滑动，从而稍微改变硼和氮原子的位置。例如，假设您的每只手仅由一层细胞组成。这种新现象类似于将双手压在一起，然后将一只手稍微移到另一只手上方。

“所以奇迹在于，通过将两层滑动几埃，你最终会得到完全不同的电子产品，”阿肖里说。原子的直径约为1埃。

另一个奇迹：“滑动过程中没有任何磨损，”Ashori 继续说道。这就是为什么新型晶体管可以开关 1000 亿次而不会退化。与内存中的比较闪存盘用常规材料制成。“每次写入和擦除闪存时，都会出现一些性能下降，”Ashori 说。“随着时间的推移，它会磨损，这意味着你必须使用一些非常复杂的方法来分配你在芯片上读写的位置。”新材料可能会使这些步骤变得过时。

共同努力

安田，当前论文的共同第一作者科学论文，对这项工作中涉及的合作表示赞赏。其中，“我们 [Jarillo-Herrero 的团队] 制作了这种材料，并与 Ray [Ashori] 和 [共同第一作者] Evan [Zalys-Geller] 一起，详细测量了其特性。这非常令人兴奋。”Ashoori 说：“我实验室的许多技术很自然地应用于隔壁实验室正在进行的工作。这非常有趣。”

阿肖里指出，“这背后有很多有趣的物理学”可以探索。例如，“如果您考虑两层相互滑动，那么滑动从哪里开始？”此外，安田说，铁电是否可以用电以外的东西触发，比如光脉冲？该材料可以进行的开关数量是否存在根本限制？

挑战依然存在。例如，目前生产新型铁电体的方法很困难，不利于大规模生产。“我们制作了一个晶体管作为演示。如果人们能够在晶圆级上生长这些材料，我们就可以制造出更多、更多的晶体管，”安田说。他指出，不同的团体已经在为此努力。

Ashoori 总结道：“存在一些问题。但如果解决了这些问题，这种材料在很多方面都适合潜在的未来电子产品。这非常令人兴奋。”

这个故事由麻省理工学院新闻转载（web.mit.edu/新闻办公室/），一个热门网站，涵盖有关麻省理工学院研究、创新和教学的新闻。