麻省理工学院：新型晶体管以纳秒级速度开关

麻省理工学院（MIT）团队在 2021 年创造了一种新的铁电材料，他们使用相同的物质来制造晶体管。据称，这种新型超薄晶体管优于当今电子产品中使用的晶体管。具体来说，科学家们强调其快速的纳秒开关速度和卓越的耐用性。

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「在我的实验室里，我们主要做基础物理学，」塞西尔和艾达·格林物理学教授巴勃罗·贾里洛-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）说，他领导了这一突破背后的团队（通过 Interesting Engineering）。「这是最早的例子之一，也许是最引人注目的例子，说明非常基础的科学如何导致可能对应用程序产生重大影响。」

这种新晶体管最显著的能力是可以改变其充电状态的速度。目前的晶体管技术在数百纳秒内切换状态，但这种新材料可能会将其减少到其中的一小部分。这对于高性能计算至关重要，尤其是在 AI 技术需要越来越多的数据来处理的情况下。

由于这种材料非常薄，制造商可能会将它们包装得比目前的半导体产品更密集。除了在每个区域获得更高的性能外，它还将带来更高的能源效率——这是人工智能处理未来的关键因素，尤其是在电力限制现在成为扩展数据中心的主要瓶颈的情况下。

麻省理工学院团队发现的另一个重要进步是新型铁电材料提供的更高的耐用性。当前的 SSD 使用寿命有限，顶级型号每 1TB 容量能够写入 700TB。另一方面，即使在 1000 亿次开关之后，这种晶体管也没有显示出退化的迹象。

目前，该团队只制造了一个晶体管来展示其功能。因此，在这项技术进入日常设备之前，它仍然面临一些挑战。「有几个问题。但是，如果你解决了它们，这种材料在很多方面都适合潜在的未来电子产品」，制造晶体管的小组成员 Ray Ashoori 说。这非常令人兴奋。

康奈尔大学助理教授安田健二（Kenji Yasuda）是该研究的共同第一作者，他还补充说：「如果人们能够在晶圆规模上种植这些材料，我们就可以创造出更多价值。」

铁电材料是指具有铁电效应的一类材料，它是热释电材料的一个分支。铁电材料及其应用研究已成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。晶体，其原因在于他们具有相当优异的性能。许多电光晶体、压电材料就是铁电晶体。铁电晶体无论在技术上或理论上都具有重要的意义。

压电材料：物质受机械应力作用时能产生电压，或受电压作用时能产生机械应力的性质。例如：窃听器、Fabry-Perot 干涉仪的推进器（陶瓷）等。

电光晶体：折射率在外电场作用下发生改变的材料。例如：Q 开关等。铁电材料，是热释电材料中的一类。其特点是不仅具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变。它的极化强度 P 与外施电场强度 E 的关系，与铁磁材料的磁通密度与磁场强度的关系曲线（B-H 曲线）极为相似。极化强度 P 滞后于电场强度 E, 称为电滞曲线。电滞曲线是铁电材料的特征。即当铁电晶体二端加上电场 E 后，极化强度 P 随 E 增加沿 OAB 曲线上升，至 B 点后 P 随 E 的变化呈线性 (BC 线段)。E 下降，P 不沿原曲线下降，而是沿 CBD 曲线下降。当 E 为零时, 极化强度 P 不等于零而为 Pr，称为剩余极化强度。

只有加上反电场 EC 时 P 方等于零，EC 称为铁电材料的矫顽电场强度。CBDFGHIC 构成整个电滞曲线。铁电晶体是由许多小区域 (电畴) 所组成，每个电畴内的极化方向一致，而相邻电畴的极化方向则不同。从宏观来看，整个晶体是非极化的，呈中性。在外电场作用下，极化沿电场方向的电畴扩大。当所有电畴都沿外电场方向，整个晶体成为单畴晶体，即到达图上饱和点 B，当外电场继续增加, 此时晶体只有电子和离子极化，与普通电介质一样，P 与 E 成直线关系（BC 段），延长 BC 直线交 P 轴于 T，相应的极化强度 Ps 即为该晶体的自发极化强度。

在某一温度以上，铁电材料的自发极化即消失，此温度称为居里点。它是由低温的铁电相改变为高温的非铁电相的温度。典型铁电材料有：钛酸钡（BaTiO3）、磷酸二氢钾 (KH2PO4) 等。过去对铁电材料的应用主要是利用它们的压电性、热释电性、电光性能以及高介电常数。由于新铁电材料薄膜工艺的发展，铁电材料在信息存储、图像显示和全息照相中的编页器、铁电光阀阵列作全息照相的存储等已开始应用。