新材料能提高计算机处理和内存效率

这幅透射电子显微镜图像显示了用于电荷自旋转换实验样品的横断面。在溅射的拓扑绝缘层中，小于 6nm 的纳米级晶粒为材料创造了新的物理特性——改变了材料中电子的行为。照片来源：明尼苏达大学Wang Group

明尼苏达大学领导的一个研究小组开发出一种有可能提高计算机处理和内存效率的新材料。在半导体研究公司 (Semiconductor Research Corporation) 的支持下，研究人员已经申请了该材料的专利，但是半导体行业内的人要求提供该材料的样品。

该研究结果发表于《Nature Materials》，《Nature Materials》是由自然出版集团 (Nature Publishing Group) 同行评议的科学杂志。

首席研究员，明尼苏达大学杰出McKnight终生讲座教授王建平 (Jian-Ping Wang) 和电气工程系主任 Robert F. Hartmann 说：“我们使用了一种在过去几年中备受半导体行业关注的量子材料，但是我们以独特的生产方式使其具备了新的物理和自旋电子特性，从而可以极大地提高计算和内存效率。”

这种新型材料属于“拓扑绝缘体”材料，由于其独特的自旋电子输运和磁性特性，最近一直被物理学和材料研究团队以及半导体行业所研究。拓扑绝缘体通常使用单晶生长工艺制造。另一种常见的制造方法采用的是被称为分子束外延的工艺，其晶体在薄膜中生长。目前这两种工艺技术都不能大规模地用于半导体行业。

在这项研究中，研究人员从硒化铋 (Bi₂Se₃) 着手，Bi₂Se₃ 是铋和硒的化合物。然后，他们运用了一种被称为“溅射”的薄膜沉积技术，此技术的原理是电子轰击靶材，实现离子和原子之间的动量交换。

虽然溅射技术在半导体行业中很常见，但这是它首次被用来制造可大规模用于半导体和磁性工业应用的拓扑绝缘体材料。

然而，实验中最令人惊讶的并不是溅射技术的成功应用。在溅射的拓扑绝缘体层中，小于 6nm 的纳米级晶粒改变了材料中电子的行为，使材料产生了新的物理性质。在对新材料进行测试之后，研究人员发现，与现有的材料相比，使用新材料的计算处理和内存效率提高了 18 倍。

Tony Low 是明尼苏达大学电气和计算机工程的助理教授，也是该研究的共同作者，他说：“随着晶粒尺寸的减小，存在被我们称为‘量子限制’的现象，材料中电子以不同的方式运动，这让我们有更多的机会控制电子行为。”

研究人员使用明尼苏达大学独特的高分辨率透射电子显微镜 (TEM) 研究这种材料，TEM 是一种显微镜技术，其原理是电子束穿透一个样本以形成图像。

Andre Mkhoyan 是明尼苏达大学化学工程与材料科学助理教授兼电子显微镜学专家，他说：“利用先进的像差校正扫描 TEM，我们成功地识别出了这些纳米大小的颗粒及其在薄膜中的界面。”

研究人员表示，这些研究仅仅是开始，此项发现可以为半导体行业以及相关行业（如磁随机存取存储器 (MRAM) 技术）的进一步发展开启大门。

Mahendra DC (Dangi Chhetri) 是论文的第一作者，也是王教授实验室的物理学博士生，他说：“利用这些材料的新物理特性，可能会带来许多新的应用。”

王教授表示同意，认为这项前沿研究可能会产生重大的影响。

王教授说：“该领域的所有研究人员都没能想到使用溅射工艺来制造量子材料，比如基于铋-硒化合物的拓扑绝缘体，因为这违背了他们的常规思维逻辑，而且实际上也没有任何现有理论的支持。四年前，在半导体研究公司 (SRC) 和美国国防高级研究计划局 (Defense Advanced Research Projects Agency) 的大力支持下，我们开始实施伟大的想法，即寻找一条切实可行的道路，将拓扑绝缘体材料用于未来的计算和存储设备。我们令人称奇的实验发现为拓扑绝缘体材料提供了一种新的理论。”

王教授说：“研究就是需要耐心和团队成员的合作。这一次我们获得了巨大的回报。”

除了 Wang、Low、Mkhoyan 和 DC 之外，该研究团队的其他成员还包括明尼苏达大学博士后研究员和研究生 Mahdi Jamali、Junyang Chen、Danielle Hickey、Delin Zhang、Zhengyang Zhao、Hongshi Li、Patrick Quarterman、Yang Lv 和沙特阿拉伯国王大学助理教授 Aurelien Manchon。

明尼苏达大学自旋电子材料、界面和新颖架构中心 (C-SPIN) 为该研究提供资助，这是一项由微电子高级研究公司 (MARCO) 和美国国防高级研究计划局 (DARPA) 赞助的半导体研究公司项目。这项研究使用了明尼苏达大学科学与工程学院的特性分析设备。美国国家科学基金会通过明尼苏达大学材料研究科学与工程中心（编号：DMR-1420013）为该研究提供了部分资金支持；明尼苏达大学科学与工程学院的明尼苏达纳米中心由美国国家科学基金会通过国家纳米技术基础设施网络 (NNIN) 给予部分资金支持。
如需阅读题为“溅射BixSe(1–x) 薄膜中由于量子限制而产生的室温高自旋轨道扭矩”（Room-temperature high spin–orbit torque due to quantum confinement in sputtered Bi_xSe_(1–x) films）的完整研究论文，请访问《Nature Materials》杂志网站。