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石墨烯|一種更高效的新型晶體管將對硅的統治構成威脅

重器石墨烯

石墨烯|一種更高效的新型晶體管將對硅的統治構成威脅

一種新的、更節能的晶體管可能會減少全球數字能源消耗 ， 并使設備更小、發熱量更低 。

上圖：一種新的石墨烯晶體管可能是未來計算的關鍵 。
晶體管 ， 特別是由硅制成的晶體管 ， 是現代電子學的基石 。 從烤面包機到電視 ， 晶體管幾乎出現在所有帶有電路的產品中 。 它們也只會變得越來越小 ， 這是一個問題 ， 尤其是當涉及到能源消耗、熱量以及具有諷刺意味的設備總尺寸時 。 在一個設備里封裝太多晶體管 ， 奇怪的是 ， 你會開始碰壁 。
摩爾定律指出 ， 我們可以塞進電子設備的晶體管數量正呈指數增長 。 然而 ， 這種趨勢也有其局限性 。 晶體管越?。ㄎ覀冋f的是一些目前只有幾納米寬的晶體管） ， 就越難擺脫它產生的廢物 ， 而且用它們封裝的設備就會變得越熱 ， 這就限制了設備的尺寸 。 再加上對更快、更小的電子產品的需求日益增長 ， 工程師們正面臨著兩難境地 。 內布拉斯加州大學林肯分校的物理學教授彼得·A·道本表示：


“傳統的集成電路正面臨一些嚴重的問題 …… 所以 ， 你需要一些可以縮小的東西 ， 如果可能的話 。 但最重要的是 ， 你需要一種與硅晶體管工作方式不同的東西 ， 這樣你就可以大大降低功耗 。 ”
布法羅大學和內布拉斯加州大學林肯分校的研究人員合作了一項新的研究 ， 該研究發表在《先進材料》上 ， 旨在設計一種更高效的非硅晶體管 ， 這應該會讓小型半導體繼續變得更小 。 晶體管通常通過推動電子穿過柵極來進行計算：當電子通過柵極時 ， 它是1 ， 當電子沒有通過柵極時 ， 它是0 。 但是 ， 科克·何（Keke He）、喬納森·P·伯德（Jonathan P. Bird）和他們的研究團隊已經破解了一種新的方法 ， 通過依賴電子的自旋而不是電子的流動來設計晶體管 。
電子可以朝兩個方向自旋：向上或向下 。 你猜對了 ， 這些方向可以對應于二進制代碼的 1 和 0 。 研究小組首先從一層石墨烯開始 ， 石墨烯的厚度只有一層 ， 電子可以通過 。 石墨烯層至關重要 ， 因為石墨烯具有一種獨特的性質 ， 允許電子在相對較長的距離內保持自旋方向 。 石墨烯層下面是一層氧化鉻 。
當施加正電壓時 ， 氧化鉻中的電子向上旋轉 ， 石墨烯電子轉向左側 。 當電壓為負時 ， 氧化鉻電子向下旋轉 ， 石墨烯電子轉向右側 。 這兩種獨特的配置創建了易于檢測的信號 ， 可以對應于1和0 。
【石墨烯|一種更高效的新型晶體管將對硅的統治構成威脅】彼得·A·道本教授解釋說 ， 可能還有其他方法來制造類似的晶體管 。 “現在每個人都可以參與到游戲中來 ， 想辦法讓晶體管變得更好、更具競爭力 ， 甚至超越硅 。 ”
目前 ， 這種被稱為“磁電晶體管”的晶體管背后的研究人員 ， 對其超越硅極限的潛力感到興奮 。 據該研究的新聞稿稱 ， 磁電晶體管可以將存儲某些數據所需的晶體管數量減少多達75% ， 這可能導致設備更小、發熱量更小 ， 據稱還能將全球數字能源消耗減少5% 。 這種能量減少的估計也要歸功于這些晶體管的潛力：即使在斷電后 ， 它們也能準確地記住用戶停機的位置 。
不管怎樣 ， 磁電晶體管距離工業化還有很長的路要走 ， 但半導體總是可以從事物的“新旋轉”中受益 。
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