來源：Spectrum IEEE

一種新的半導體依靠緩慢但穩(wěn)定的準粒子來完成工作。

科學家們發(fā)現(xiàn)了他們所說的迄今為止最快、最高效的半導體。盡管這種新材料是用地球上最稀有的元素之一制成，但研究人員表示，有可能會發(fā)現(xiàn)由更豐富的材料制成的替代物，其運行速度相當快。

半導體幾乎是所有現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。然而，盡管半導體已經(jīng)變得司空見慣，但其速度仍然面臨限制。

這些速度限制的原因之一與原子振動有關(guān)，原子振動在固體材料中以聲子的準粒子形式傳播。聲子可以散射在電子設(shè)備周圍攜帶能量和信息的粒子。這些通常是電子，但有時是更為奇特的粒子，例如激子（與帶正電的準粒子對應物即電子空穴結(jié)合的電子）。

在一項克服聲子可能引起的問題的新研究中，研究人員試驗了由Re6Se8Cl2（一種由錸、硒和氯組成的分子）制成的半導體。半導體的原子形成稱為“超級原子”的簇，每個超級原子的行為就像一個大原子，但具有與用于構(gòu)建其元素不同的屬性。每個簇由六個錸原子組成的八面體組成，八面體位于由八個硒原子組成的立方體中，簇的頂部和底部各有一個氯原子。

“現(xiàn)在我們知道需要什么結(jié)構(gòu)和電子特性......我們很可能會找到這種在地球上貯藏豐富的能夠替代錸基材料的替代品。”

——Milan Delor，哥倫比亞大學

當激子與Re6Se8Cl2中的聲子接觸時，在實際上并不是散射，而是結(jié)合在一起，形成聲激子極化子的新準粒子。這些準粒子能夠進行彈道流動或無散射流動。

在室溫下的實驗中，Re6Se8Cl2中的聲激子極化子的移動速度是硅中電子的兩倍。這是第一種有人檢測到持續(xù)室溫彈道激子運動的材料。

半導體中的電子通常在以飛秒為單位測量的時間尺度上僅行進納米后就會發(fā)生散射。相比之下，Re6Se8Cl2中的聲激子極化子在一納秒（大約長了6個數(shù)量級）的過程中成功跨越了幾微米（大約遠了3個數(shù)量級）。鑒于極化子可以持續(xù)約11納秒，科學家們認為聲激子極化子在散射之前可以覆蓋超過25微米。

這些準粒子是由光控制的而不是電流。這意味著基于其器件的處理速度可以達到飛秒，是當前千兆赫電子器件所能達到的速度的一百萬倍。

研究人員最初并沒有對Re6Se8Cl2進行測試，認為結(jié)果會證明它是一種新型改進的半導體。相反，他們在實驗室顯微鏡上測試了一種他們認為不應該進行任何操作的材料。研究資深作者、紐約哥倫比亞大學物理化學家Milan Delor表示，他們最終發(fā)現(xiàn)了其所見過的最快的半導體。

經(jīng)過兩年的研究工作，Delor和他的同事現(xiàn)在相信，他們理解了Re6Se8Cl2表現(xiàn)得如此非凡的原理。事實證明，與硅中的電子相比，這種半導體中的激子移動非常緩慢。然而，這意味著激子可以與同樣緩慢移動的聲子配對。由此產(chǎn)生的準粒子是“重的”，這意味著它們移動緩慢但穩(wěn)定。相比之下，電子是“輕的”，這意味著它們會有更多反彈，最終實際上無法移動得很遠或很快。

Re6Se8Cl2以及石墨和六方氮化硼也是所謂的范德華材料。這些材料由光滑的原子薄層的堆疊薄膜制成，通過稱為范德華相互作用的弱電力粘合在一起，這種力通常使膠帶發(fā)粘。先前的研究表明，當不同范德華材料的原子薄片相互疊放以形成所謂的異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，就會出現(xiàn)新的混合特性。

Re6Se8Cl2面臨的一個主要問題是，錸是地球上最稀有的元素之一。這使得Re6Se8Cl2非常昂貴，而且不太可能實現(xiàn)商業(yè)化。

然而，Re6Se8Cl2屬于具有相同結(jié)構(gòu)和電子特性的超原子半導體家族。其中許多材料是由更加豐富的元素制成的。其中包括最近發(fā)現(xiàn)的一種名為graphullerene的全碳材料，它類似于排列成片狀的碳球。

Delor表示：“既然我們知道了實現(xiàn)這項研究中發(fā)現(xiàn)的新的傳輸機制需要什么結(jié)構(gòu)和電子特性，那么我們很可能會找到地球上貯藏豐富的替代品來代替錸基材料，替代材料也會表現(xiàn)出令人震驚的傳輸特性。”

總而言之，研究人員認為聲激子極化子“可能是在不同材料中實現(xiàn)長程能量流的通用方法，而傳統(tǒng)上預計這些材料不會表現(xiàn)出良好的傳輸特性，” Delor表示，“這是一個令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，我們期待將其應用于更多系統(tǒng)。”

這項工作的另一個提醒是它依賴于激子而不是電子。Delor表示：“雖然激子像電子一樣攜帶信息和能量，但它們不一定與半導體行業(yè)當前使用的硬件兼容”，因此，這些半導體的應用“可能與傳統(tǒng)半導體的應用不同”。

Delor表示，由這些半導體制成的潛在器件可能包括使用激子而不是電子的“彈道晶體管”。可能還可以用作非常高效的光探測器，或者用于計算以減少能量損失并提高性能。

審核編輯：湯梓紅