2021 年，由麻省理工學院物理學家領導的團隊報告稱，他們創造了一種新型超薄鐵電材料，即正電荷和負電荷分離到不同層的材料。當時，他們注意到該材料在電腦記憶體等領域的應用潛力。現在，同一個核心團隊和同事（包括隔壁實驗室的兩名同事）已經用這種材料製造了一個晶體管，並表明其特性非常有用，可以改變電子世界。

塞西爾和艾達·格林物理學教授巴勃羅·賈裡洛·埃雷羅(Pablo Jarillo-Herrero) 表示，雖然該團隊的結果是基於實驗室中的單個晶體管，但「在幾個方面，其性能已經達到或超過了當今生產的鐵電晶體管的行業標準」。與物理學教授 Raymond Ashoori 一起領導了這項工作。兩者都隸屬於材料研究實驗室。

「在我的實驗室我們主要做基礎物理學。這是第一個，也許也是最引人注目的例子之一，說明非常基礎的科學如何導致對應​​用產生重大影響的事情，」Jarillo-Herrero 說。

Ashoori 說：“當我想到我在物理學領域的整​​個職業生涯時，我認為這項工作可能會在 10 到 20 年後改變世界。”

新型電晶體的卓越特性包括：

• 它可以在正極和負極之間切換負電荷——本質上是數字資訊的 1 和 0——以非常高的速度，在奈秒時間尺度上。（納秒是十億分之一秒。）
• 這是非常艱難的。經過 1000 億次開關後，它仍然可以正常工作，沒有任何退化的跡象。
• 這種魔法背後的材料只有十億分之一公尺厚，是世界上最薄的材料之一。反過來，這可以允許更密集的電腦記憶體儲存。由於根據材料厚度切換尺度所需的電壓，它也可能導致更節能的電晶體。（超薄等於超低電壓。）

工作是發表在最近一期的科學。這篇論文的共同第一作者是康乃爾大學助理教授安田健二 (Kenji Yasuda) 和 Atom 計算公司的 Evan Zalys-Geller。其他作者包括麻省理工學院物理學研究生 Xirui Wang；哈佛大學的 Daniel Bennett 和 Efthimios Kaxiras；Suraj S. Cheema，麻省理工學院電機工程與電腦科學系助理教授，電子研究實驗室附屬機構；以及日本國家材料科學研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi。

他們做了什麼

在鐵電材料中，正電荷和負電荷會自發性地流向不同的一側或兩極。在施加外部電場時，這些電荷會切換方向，從而反轉極化。切換偏振可用於編碼數位訊息，並且該訊息將是非揮發性的，或隨著時間的推移保持穩定。除非施加電場，否則它不會改變。為了使鐵電體在電子領域中廣泛應用，所有這些都需要在室溫下發生。

新鐵電材料報道在科學in 2021基於相互平行堆疊的原子級薄片氮化硼，這種結構在自然界中並不存在。在塊狀氮化硼中，氮化硼的各層被旋轉 180 度。

事實證明，當對此平行堆疊結構施加電場時，新型氮化硼材料的一層會在另一層上滑動，從而稍微改變硼和氮原子的位置。例如，假設您的每隻手僅由一層細胞組成。這種新現象類似於將雙手壓在一起，然後將一隻手稍微移到另一隻手上方。

「所以奇蹟在於，透過將兩層滑動幾埃，你最終會得到完全不同的電子產品，」阿肖裡說。原子的直徑約為1埃。

另一個奇蹟：「滑動過程中沒有任何磨損，」Ashori 繼續說道。這就是為什麼新型電晶體可以開關 1000 億次而不會退化。與記憶體中的比較隨身碟用常規材料製成。「每次寫入和擦除快閃記憶體時，都會出現一些效能下降，」Ashori 說。“隨著時間的推移，它會磨損，這意味著你必須使用一些非常複雜的方法來分配你在晶片上讀寫的位置。”新材料可能會使這些步驟變得過時。

共同努力

安田，當前論文的共同第一作者科學論文，對這項工作中涉及的合作表示讚賞。其中，「我們[Jarillo-Herrero 的團隊] 製作了這種材料，並與Ray [Ashori] 和[共同第一作者] Evan [Zalys-Geller] 一起，詳細測量了其特性。這非常令人興奮。 」Ashoori 說：“我實驗室的許多技術自然應用於隔壁實驗室正在進行的工作。這非常有趣。”

阿肖裡指出，「這背後有很多有趣的物理學」可以探索。例如，“如果您考慮兩層相互滑動，那麼滑動從哪裡開始？”此外，安田說，鐵電是否可以用電力以外的東西觸發，例如光脈衝？該材料可以進行的開關數量是否有根本限制？

挑戰依然存在。例如，目前生產新型鐵電體的方法很困難，不利於大規模生產。「我們製作了一個晶體管作為演示。如果人們能夠在晶圓級上生長這些材料，我們就可以製造出更多、更多的晶體管，」安田說。他指出，不同的團體已經在為此努力。

Ashoori 總結道：“存在一些問題。但如果解決了這些問題，這種材料在許多方面都適合潛在的未來電子產品。這非常令人興奮。”

這個故事由麻省理工學院新聞轉載（web.mit.edu/新聞辦公室/），一個熱門網站，涵蓋有關麻省理工學院研究、創新和教學的新聞。