研究人员发现了迄今为止最快的半导体

来源：Spectrum IEEE

一种新的半导体依靠缓慢但稳定的准粒子来完成工作。

科学家们发现了他们所说的迄今为止最快、最高效的半导体。尽管这种新材料是用地球上最稀有的元素之一制成，但研究人员表示，有可能会发现由更丰富的材料制成的替代物，其运行速度相当快。

半导体几乎是所有现代电子产品的基础。然而，尽管半导体已经变得司空见惯，但其速度仍然面临限制。

这些速度限制的原因之一与原子振动有关，原子振动在固体材料中以声子的准粒子形式传播。声子可以散射在电子设备周围携带能量和信息的粒子。这些通常是电子，但有时是更为奇特的粒子，例如激子（与带正电的准粒子对应物即电子空穴结合的电子）。

在一项克服声子可能引起的问题的新研究中，研究人员试验了由Re6Se8Cl2（一种由铼、硒和氯组成的分子）制成的半导体。半导体的原子形成称为“超级原子”的簇，每个超级原子的行为就像一个大原子，但具有与用于构建其元素不同的属性。每个簇由六个铼原子组成的八面体组成，八面体位于由八个硒原子组成的立方体中，簇的顶部和底部各有一个氯原子。

“现在我们知道需要什么结构和电子特性......我们很可能会找到这种在地球上贮藏丰富的能够替代铼基材料的替代品。”

——Milan Delor，哥伦比亚大学

当激子与Re6Se8Cl2中的声子接触时，在实际上并不是散射，而是结合在一起，形成声激子极化子的新准粒子。这些准粒子能够进行弹道流动或无散射流动。

在室温下的实验中，Re6Se8Cl2中的声激子极化子的移动速度是硅中电子的两倍。这是第一种有人检测到持续室温弹道激子运动的材料。

半导体中的电子通常在以飞秒为单位测量的时间尺度上仅行进纳米后就会发生散射。相比之下，Re6Se8Cl2中的声激子极化子在一纳秒（大约长了6个数量级）的过程中成功跨越了几微米（大约远了3个数量级）。鉴于极化子可以持续约11纳秒，科学家们认为声激子极化子在散射之前可以覆盖超过25微米。

这些准粒子是由光控制的而不是电流。这意味着基于其器件的处理速度可以达到飞秒，是当前千兆赫电子器件所能达到的速度的一百万倍。

研究人员最初并没有对Re6Se8Cl2进行测试，认为结果会证明它是一种新型改进的半导体。相反，他们在实验室显微镜上测试了一种他们认为不应该进行任何操作的材料。研究资深作者、纽约哥伦比亚大学物理化学家Milan Delor表示，他们最终发现了其所见过的最快的半导体。

经过两年的研究工作，Delor和他的同事现在相信，他们理解了Re6Se8Cl2表现得如此非凡的原理。事实证明，与硅中的电子相比，这种半导体中的激子移动非常缓慢。然而，这意味着激子可以与同样缓慢移动的声子配对。由此产生的准粒子是“重的”，这意味着它们移动缓慢但稳定。相比之下，电子是“轻的”，这意味着它们会有更多反弹，最终实际上无法移动得很远或很快。

Re6Se8Cl2以及石墨和六方氮化硼也是所谓的范德华材料。这些材料由光滑的原子薄层的堆叠薄膜制成，通过称为范德华相互作用的弱电力粘合在一起，这种力通常使胶带发粘。先前的研究表明，当不同范德华材料的原子薄片相互叠放以形成所谓的异质结构时，就会出现新的混合特性。

Re6Se8Cl2面临的一个主要问题是，铼是地球上最稀有的元素之一。这使得Re6Se8Cl2非常昂贵，而且不太可能实现商业化。

然而，Re6Se8Cl2属于具有相同结构和电子特性的超原子半导体家族。其中许多材料是由更加丰富的元素制成的。其中包括最近发现的一种名为graphullerene的全碳材料，它类似于排列成片状的碳球。

Delor表示：“既然我们知道了实现这项研究中发现的新的传输机制需要什么结构和电子特性，那么我们很可能会找到地球上贮藏丰富的替代品来代替铼基材料，替代材料也会表现出令人震惊的传输特性。”

总而言之，研究人员认为声激子极化子“可能是在不同材料中实现长程能量流的通用方法，而传统上预计这些材料不会表现出良好的传输特性，” Delor表示，“这是一个令人惊讶的发现，我们期待将其应用于更多系统。”

这项工作的另一个提醒是它依赖于激子而不是电子。Delor表示：“虽然激子像电子一样携带信息和能量，但它们不一定与半导体行业当前使用的硬件兼容”，因此，这些半导体的应用“可能与传统半导体的应用不同”。

Delor表示，由这些半导体制成的潜在器件可能包括使用激子而不是电子的“弹道晶体管”。可能还可以用作非常高效的光探测器，或者用于计算以减少能量损失并提高性能。

审核编辑：汤梓红