晶体管的新材料设计可以缩小下一代技术的尺寸

通过更好地驯服半导体替代品的“化身”性质——从电阻绝缘体转变为导电金属——内布拉斯加州的夏洪和同事可能已经开辟了一条通往更小、更高效的数字设备的新道路。该团队在《自然通讯》杂志上报告了其发现。

半导体在金发姑娘区的导电能力(比金属差，比绝缘体好)使其成为寻求构建晶体管(编码二进制1和0的微型开关)的工程师的正确选择。向称为栅极绝缘体的控制旋钮施加一些电压，半导体通道允许电流流动(1);移除它，该流动就会停止(0)。

现在，现代微上覆盖着数以百万计的纳米级半导体晶体管，它们通过开关来集体处理或存储数据。尽管晶体管已经很小，但消费者的需求和竞争继续推动电气工程师进一步缩小晶体管的尺寸，要么是为了压缩更多功能，要么是为了缩小容纳晶体管的设备的尺寸。

不幸的是，这些工程师现在正在面临半导体尺寸的实际甚至基本限制。

反过来，研究人员不仅开始关注业界最喜爱的硅，还开始关注整个半导体。二十多年前，一些人开始研究一种称为莫特绝缘体的材料。如果说半导体是推动了数十年不断进步的快乐媒介，那么莫特绝缘体则更像是一张双面通配符，其矛盾心理既是其吸引力的根源，也是令人沮丧的根源。

长期存在的电导率理论认为，具有莫特绝缘体电子特性的材料通常应归类为金属。然而，与金属或半导体中的电子不同，莫特绝缘体中的电子的行为并不像独立粒子。

相反，它们的相互作用方式将它们限制在本地站点并阻止它们在材料中自由移动。尽管如此，某些条件(更高的温度、引入更多的电子)可以克服这些力，最终释放电子并从本质上将莫特绝缘体转变为导电金属。

“所以(传统上)要么有流动电子，要么有局域电子，”内布拉斯加大学林肯分校物理学教授洪说。“它的定义非常明确。”

“但就莫特绝缘体而言，电子相互作用不能被忽视。由于这种相关性，很难将其简单地定义为金属或绝缘体。如果你可以调整相互作用的强度，它可以是金属，或者它可以是绝缘体。”

通过在莫特绝缘体上覆盖由所谓的铁电材料制成的栅极绝缘体，然后使用电压翻转后者的极化，或正负电荷的排列，研究人员意识到他们可以引导莫特绝缘体从绝缘体到金属的转变，然后再返回。这样，配对的行为和最有前途的功能就模仿了半导体。