超越摩爾定律，能谷電子學研究新進展有望延長摩爾定律

2017年5月1日，美國紐約州立大學布法羅分校的研究團隊發現了一種在二維半導體的能谷之間分裂能級軌道的新方法，有望使摩爾定律得以延續。該研究成果發表在自然納米技術雜誌上。

半導體物理學的目標是設計出更有效和微觀的方式來控制和跟蹤0和1，這是計算機中實現信息存儲和邏輯功能的基礎——二進位代碼。一個全新的物理學領域——能谷電子正在不斷取得進步以用於二進位應用。簡單地說，「谷」是結晶態物體中電子能量的最大值和最小值，通過控制不同能谷中電子，即利用電子的「谷自由度」進行數據存儲和邏輯應用，有望產生全新的超高效計算機晶元。

本項研究由布法羅分校物理學院曾鈺教授領導，其關鍵是使用鐵磁化合物將能谷分開並保持不同的能級水平。與通過施加外部磁場獲得的能級分裂相比，這方法使能谷分裂後的能量差是前種方法的10倍。

這些原子薄厚度的半導體材料（二維半導體材料）通常有兩個能谷，並具有完全相同的能量，在量子力學中被稱為「退化能級」。這限制了人們控制各個能谷的能力。通常實現能谷分裂的途徑是從外部施加超強磁場。然而，利用這種方法，只有在國家高磁場實驗室中施加超高磁場，才能使分裂出的能級具有較大的能級差。

研究細節

研究人員創建了一個雙層異質結構，底部有10nm厚的磁性EuS（硫化銪）薄膜，頂部是過渡金屬硫化物二硒化鎢（WSe2）的單層薄膜（小於1nm）。底層的磁性EuS薄膜的磁場迫使WSe2中的能谷產生能級分裂。布法羅分校物理系傑出教授阿索斯·彼得魯通過使材料反射光線，測量反射光的能量來測量分離能谷之間的能量差，並取得了近五到十年來最好的測量結果。

圖1 雙層異質結構示意圖。底部為10納米厚的磁性硫化銪薄膜，上層為單層（厚度僅為1納米）過渡金屬硫化物二硒化鎢（WSe2），底層硫化銪產生的磁場迫使二硒化鎢中的谷電子能級劈裂。

該項研究被認為是首次將鐵磁材料與二維半導體材料結合，以實現能谷的能級分裂。只要有磁性材料，就能使能谷分裂。這使得能谷電子在非易失性存儲器應用領域具有重大應用價值，有利於未來能谷電子進行信息存儲和處理。

二維半導體材料通常並排兩個能谷。當一個能谷被電子佔據時，開關「打開」。當另一個谷被佔用時，開關「關閉」。該項研究表明，能谷可以通過這種方式使器件實現「開啟」和「關閉」，從而使用少量的電力。

延續摩爾定律

該實驗在7K（-266.15℃）環境中進行的，因此目前該方法距離實際應用還具有較長的過程，但這證明了該方法是可行的。

人們對此感到非常興奮的原因是，摩爾定律已經達到了極限，即將結束。它已經不再適用。而且，目前電腦晶元依賴於電荷的移動，並且隨著計算機的功能越來越強大，這些晶元在運行中產生了大量的熱量。該項研究工作推動了能谷電子在解決晶元瓶頸技術領域的發展。

關鍵詞：二維材料 能谷電子 摩爾定律 二硒化鎢 硫化銪（文章來自易索芯科技）

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