新材料可提高計算機處理和存儲效率

上圖所示這張橫截面透射電子顯微鏡圖像顯示了用於電荷-自旋轉換實驗的樣品。濺射拓撲絕緣層中小於6納米的納米顆粒為材料創造了新的物理性質，改變了材料中電子的行為。圖片來源：明尼蘇達大學。

由明尼蘇達大學領導的一個研究小組已經開發了一種新材料，這種材料可能潛在地提高計算機處理和記憶的效率。在半導體研究公司的支持下，研究人員已經就這種材料申請了專利，半導體行業的人們已經對這種材料的樣品提出相應需求。

該研究的結果已經發表在《自然材料Nature Materials》雜誌上。

「我們使用了一種量子材料，這種材料在過去幾年裡引起了半導體工業的很多關注，但是以獨特的方式創造了它，從而產生了一種具有新的物理和自旋電子性質的材料，這種材料可以極大地提高計算和存儲效率，」 Jian-Ping Wang說，他是明尼蘇達大學傑出教授，並且還是羅伯特·哈特曼電機工程系主任。

這種新材料屬於「拓撲絕緣體」一類材料，由於其獨特的自旋電子輸運和磁性能，近年來物理和材料研究界以及半導體工業都對其進行了研究。拓撲絕緣體通常使用單晶生長過程產生。另一種常見的製造技術使用一種叫做分子束外延的工藝，其中晶體生長在薄膜中。這兩種技術都不能很容易地擴展到半導體工業中使用。

在這項研究中，研究人員從硒化鉍（Bi2Se3）開始，即鉍和硒的化合物。然後他們使用了一種薄膜沉積技術，叫做「濺射」，它是由靶材料中的離子和原子之間由於碰撞產生的動量交換驅動的。雖然濺射技術在半導體工業中很常見，但這是首次用於製造拓撲絕緣體材料，該拓撲絕緣體材料可擴大用於半導體和磁性工業應用。

然而，濺射技術工作的事實並不是實驗中最令人驚訝的部分。濺射拓撲絕緣層中小於6納米的納米顆粒為材料創造了新的物理性質，改變了材料中電子的行為。在測試了這種新材料之後，研究人員發現它在計算處理和記憶方面的效率是現有材料的18倍。

「隨著晶粒尺寸的減小，我們經歷了我們所謂的『量子限制』，在這種限制中，材料中的電子以不同的方式作用，給予我們對電子行為的更多控制，」研究合著者、明尼蘇達大學電子和計算機助理教授Tony Low說。

研究人員利用明尼蘇達大學獨特的高解析度透射電子顯微鏡（TEM）研究了這種材料。TEM是一種顯微鏡技術，其中電子束通過樣品傳輸以形成圖像。

明尼蘇達大學化學工程與材料科學副教授安德烈·Mkhoyan和電子顯微鏡專家說：「利用先進的像差校正掃描TEM，我們成功地識別出薄膜中的納米顆粒及其界面。」

研究人員說，這只是個開始，這一發現將為半導體工業以及相關工業（如磁隨機存取存儲器MRAM）技術的進步打開大門。

「隨著這些材料的新物理學可能帶來許多新的應用，」論文的第一作者、該實驗室的物理學博士生Mahendra DC說。

Wang同意這項前沿研究可能會產生巨大的影響。

Wang說：「利用濺射工藝製造一種量子材料，如基於硒化鉍的拓撲絕緣體違背了該領域所有研究者的直覺本能，事實上，任何現有理論都不支持它。四年前，在半導體研究公司和美國國防高級研究計劃署的大力支持下，我們開始了一個偉大的想法，即尋找一條切實可行的途徑來生長和應用拓撲絕緣體材料，用於未來的計算和存儲設備。我們令人驚訝的實驗發現引出了拓撲絕緣體材料的新理論。」

「研究是關於耐心和與團隊成員的合作。這一次終於有了很大的回報，」Wang說。來源：https://phys.org/news/2018-08-material-efficiency-memory.html

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