“逐个原子构建”的极薄晶体薄膜使电子移动速度比半导体快 7 倍

科学家们观察到，由与石英和金相同的元素制成的材料具有破纪录的电子迁移率——比传统半导体高七倍。

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科学家们开发出了一种新型的极薄晶体薄膜半导体，它使电子的移动速度比传统半导体快七倍，这可能对电子设备产生巨大影响。

在 7 月 1 日发表在《今日材料物理学》杂志上的一项研究中，物理学家用一种称为三元辉辉石的晶体材料创造了一种极薄的薄膜。

该薄膜的宽度仅为 100 纳米，约为人类头发厚度的千分之一，是通过一种名为“分子束外延”的工艺制成的，该工艺涉及精确控制分子束来构建材料逐个原子。这一过程可以使材料的缺陷或缺陷最小化，从而实现更大的电子迁移率，这是电子在电场下穿过材料的难易程度的衡量标准。

当科学家向薄膜施加电流时，他们记录到电子以破纪录的速度移动，速度为 10,000 厘米平方每伏秒 (cm^2/V-s)。相比之下，电子在标准硅半导体中的移动速度通常约为 1,400 cm^2/V-s，而在传统的铜布线中则要慢得多。 

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这种极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、散发更少热量和浪费更少能源的电子设备铺平了道路。

研究人员将这种薄膜的特性比作“没有交通的高速公路”，并表示这种材料“对于更高效、更可持续的电子设备至关重要，这些设备可以用更少的功率完成更多的工作。”科学家们表示，潜在的应用包括将废热转化为电能的可穿戴热电设备，以及使用电子自旋而不是电荷来处理信息的“自旋电子”设备。

物理学家贾加迪什·穆德拉 (Jagadeesh Moodera) 表示：“以前，人们在这些系统中的电子移动性方面所取得的成就就像正在建设的道路上的交通一样——你无法行驶、布满灰尘、一团糟。”麻省理工学院在一份声明中说。 “在这种新优化的材料中，就像在没有交通的情况下在 Mass Pike 上行驶一样。”

科学家们通过将晶体薄膜置于磁场下的极冷环境中来测量材料中的电子迁移率。然后，他们让电流通过它并测量量子振荡，当电阻响应磁场而波动时会发生这种振荡。  

即使材料中的微小缺陷也会阻碍电子运动，从而影响电子迁移率。因此，科学家们希望改进薄膜的制作过程能够产生更好的结果。

穆德拉说：“这表明，当正确控制这些复杂系统时，可以向前迈出一大步。” “这告诉我们，我们正朝着正确的方向前进，并且我们拥有正确的系统来进一步推进，不断完善这种材料，使其达到更薄的薄膜和邻近耦合，以用于未来的自旋电子学和可穿戴热电设备。”