美国麻省理工学院和加拿大渥太华大学的科学家们联合研发出一种新型超薄晶体薄膜半导体，其电子迁移速度达到传统半导体的7倍，为电子设备性能的飞跃提供了可能。
日前，来自美国麻省理工学院、加拿大渥太华大学等机构的科学家利用三元碲铋矿（ternary tetradymite）晶体材料，成功研制出一种新型超薄晶体薄膜半导体。这种材料的厚度仅为100纳米，但其电子迁移速度却达到了惊人的10000 cm²/V-s，是传统硅半导体的7倍左右。
相关论文已经发表于《今日材料物理学》杂志（DOI:10.1016/j.mtphys.2024.101486）。
技术突破
据介绍，这种薄膜半导体的制造采用了先进的“分子束外延技术”，通过精细控制分子束并逐个原子构建，实现了几乎没有缺陷的材料。这种工艺不仅提高了电子迁移率（即电子在电场作用下穿过材料的难易程度）。
简单来说，当科学家向“薄膜”施加电流时，他们记录到了电子以 10000 cm²/V-s 的速度发生移动。相比之下，电子在“硅半导体”中的移动速度约为 1400 cm²/V-s，而在传统铜线中则要更慢。
这种超高的电子迁移率意味着更好的导电性。这反过来又为更高效、更强大的电子设备铺平了道路，这些设备产生的热量更少，浪费的能量更少。
研究人员将这种“薄膜”的特性比喻成“不会堵车的高速公路”，他们表示这种材料“对于更高效、更省电的电子设备至关重要，可以用更少的电力完成更多的工作”。这一技术突破为未来电子设备的发展打开了新的大门。
新型薄膜半导体的应用前景广阔，包括但不限于：
- 高效电子设备： 由于其超高的电子迁移率，新型薄膜半导体有望用于制造更高效、更省电的电子设备。
- 热电转换设备： 将废热转换成电能的可穿戴式热电设备，提高能源的利用效率。
- 自旋电子学： 利用电子自旋而不是电荷来处理信息，这可能为量子计算等领域带来新的突破。
科研团队的展望
科学家们通过将“薄膜”置于极寒磁场环境中来测量材料中的电子迁移率，然后通过对薄膜通电测量“量子振荡”。当然，这种材料即使只有微小的缺陷也会影响电子迁移率，因此科学家们希望通过改进薄膜的制备工艺来取得更好的结果。
麻省理工学院的物理学家Jagadeesh Moodera表示，这项技术的成功研发表明，通过适当控制复杂系统，可以实现巨大的技术进步。科研团队将继续研究和改进这种材料，希望未来能够使其变得更薄，更适用于自旋电子学和可穿戴式热电设备。
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