由凝膠電解質(zhì)中的單個原子制成的最小晶體管

作者：Jean-Jacques DeLisle，特約撰稿人

卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (KIT) 的一個研究小組聲稱，這是可以用固體電解質(zhì)中的單個原子切換電源的最小晶體管。晶體管是我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫膸缀跛?a target="_blank">電子產(chǎn)品的基本組件。從收音機(jī)和電視到智能手機(jī)和電腦，一切都包含晶體管。從本質(zhì)上講，晶體管的功能很簡單。它是一種可以根據(jù)其三個端子與電路的連接方式來切換或放大電信號的設(shè)備。

晶體管有多種類型，但大多數(shù)情況下，它們是在半導(dǎo)體晶片上制造的。過去，大多數(shù)半導(dǎo)體都是由純化的硅或鍺制成的，但最近，由 KIT 的 Thomas Schimmel 教授領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊一直在試驗電解質(zhì)和其他材料，以使晶體管小型化，使其僅通過單個原子。該團(tuán)隊已經(jīng)能夠控制懸浮在凝膠電解質(zhì)中的單個銀原子的位移，從而使他們能夠切換電流。

過去，量子電子設(shè)備有極端的操作限制。其中許多需要極低的溫度和大量的能量才能發(fā)揮作用，但新晶體管并非如此。在 KIT 中創(chuàng)建的晶體管在室溫下運行，并且能量相對較少，這意味著它可以用于降低各種設(shè)備的能耗。顯著降低的能源成本可能會對數(shù)據(jù)的傳輸方式產(chǎn)生巨大影響。

研究人員指出，信息技術(shù)消耗了發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的能源的 10%。通過使晶體管非常小并將功能限制為單個原子的位移，研究人員認(rèn)為，單原子晶體管“可能對未來信息技術(shù)的能源效率做出重大貢獻(xiàn)”。

“這種量子電子元件可以實現(xiàn)開關(guān)能量，比傳統(tǒng)硅技術(shù)低 10,000 倍，”在 APH、納米技術(shù)研究所 (INT) 和材料研究所進(jìn)行研究的物理學(xué)家和納米技術(shù)專家 Schimmel 說KIT 的能源系統(tǒng)科學(xué)中心 (MZE)。Schimmel 被認(rèn)為是單原子電子學(xué)的先驅(qū)，也是單原子電子學(xué)和光子學(xué)中心的聯(lián)合主任。

新晶體管的創(chuàng)造者在 Advanced Materials 雜志上解釋了它的功能。為了制造晶體管，兩個極小的金屬觸點懸浮在凝膠電解質(zhì)中。觸點靠得很近，它們之間只有一個原子的寬度。銀原子也懸浮在電解質(zhì)中。通過置換這個原子，電流被切換?！巴ㄟ^電控制脈沖，我們將單個銀原子推入這個間隙——電路閉合，”Schimmel 說?！叭绻覀冊侔雁y原子推出去，電路就會中斷?！?/p>

通過利用這個看似簡單的原理，Schimmel 能夠制造出最小規(guī)模的晶體管，使晶體管能夠通過單個原子的可逆運動來切換電流。

為了開發(fā)單原子晶體管，研究人員對晶體管采取了完全不同的技術(shù)方法。通過完全用金屬構(gòu)建單原子晶體管，并且沒有半導(dǎo)體，它的開發(fā)人員設(shè)法制造了一種可以在極低電壓下工作的晶體管，因此在其運行中消耗的能量非常少。

一段時間以來，單原子晶體管只能在懸浮在液體電解質(zhì)中時才能發(fā)揮作用，這使得它不切實際，但 KIT 的 Schimmel 團(tuán)隊首次開發(fā)了一種在固體電解質(zhì)中工作的晶體管。通過制造凝膠電解質(zhì)，他們能夠通過將液體電解質(zhì)的電特性與固體電解質(zhì)更理想的物理特性相結(jié)合，實現(xiàn)兩全其美。

“與傳統(tǒng)的量子電子元件相反，單原子晶體管不僅可以在接近絕對零的極低溫度（即 –273°C）下工作，而且已經(jīng)在室溫下工作，”Schimmel 說。“這對未來的應(yīng)用來說是一個很大的優(yōu)勢?！?/p>

單原子晶體管是真正的新事物，可能是迄今為止創(chuàng)造的量子電子學(xué)最實用的例子之一。隨著更緊湊和更高性能的組件的開發(fā)，電子產(chǎn)品隨著時間的推移變得越來越小。微型化技術(shù)過程的最終結(jié)果是創(chuàng)造出單原子電子元件。然而，該設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)遠(yuǎn)不是一個原子大小。盡管它通過單個原子的運動發(fā)揮作用，但它只是一個概念證明，該技術(shù)可能需要幾年時間才能為主流使用做好準(zhǔn)備。

審核編輯 黃昊宇