新材料可以提高计算机处理和内存的效率

由明尼苏达大学领导的一个研究小组开发了一种新材料，可以提高计算机处理和记忆的效率。研究人员在半导体研究公司的支持下申请了该材料专利，半导体行业的人们已经要求提供材料样品。

该研究结果发表在Nature Materials，这是由Nature Publishing Group出版的同行评审的科学期刊。

“我们使用的量子材料在过去几年中引起了半导体行业的广泛关注，但是以独特的方式创造了它，从而产生了具有新的物理和自旋电子特性的材料，可以大大提高计算和存储效率“首席研究员王建平说，明尼苏达大学杰出麦克奈特教授和Robert F. Hartmann电气工程系主任。

这种新材料属于一类称为“拓扑绝缘体”的材料，由于其独特的自旋电子传输和磁性，最近由物理和材料研究界以及半导体工业研究过。拓扑绝缘体通常使用单晶生长工艺制造。另一种常见的制造技术使用称为分子束外延的工艺，其中晶体以薄膜生长。这两种技术都不能轻易扩展用于半导体工业。

在这项研究中，研究人员开始使用铋硒(Bi2Se3)，一种铋和硒的化合物。然后他们使用称为“溅射”的薄膜沉积技术，该技术由于碰撞而由靶材料中的离子和原子之间的动量交换驱动。虽然溅射技术在半导体工业中很常见，但这是第一次用于制造拓扑绝缘体材料，该材料可以按比例扩展用于半导体和磁性工业应用。

然而，溅射技术起作用的事实并不是实验中最令人惊讶的部分。溅射的拓扑绝缘体层中小于6纳米的纳米尺寸晶粒为材料创造了新的物理性质，改变了材料中电子的行为。在对新材料进行测试后，研究人员发现，与现有材料相比，计算处理和内存的效率提高了18倍。

“随着晶粒尺寸的减小，我们经历了我们所谓的'量子限制'，其中材料中的电子起着不同的作用，使我们能够更好地控制电子行为，”该研究的共同作者，明尼苏达大学助理Tony Low说。电气与计算机工程教授。

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)研究了这种材料，这是一种显微技术，其中一束电子通过样品传输形成图像。

“利用我们先进的像差校正扫描TEM，我们设法识别出这些纳米尺寸的颗粒及其在薄膜中的界面，”明尼苏达大学化学工程与材料科学与电子显微专家副教授Andre Mkhoyan说。

研究人员表示，这只是一个开端，这一发现可以为半导体行业以及相关行业的更多进步打开大门，例如磁随机存取存储器(MRAM)技术。

“随着这些材料的新物理学可能会出现许多新的应用，”Mahendra DC(Dangi Chhetri)说，该论文的第一作者和物理学博士。王教授实验室的学生。

Wang同意这项前沿研究可能会产生重大影响。

“使用溅射工艺制造像铋 - 硒化物基拓扑绝缘体这样的量子材料是违背该领域所有研究人员的直觉本能，实际上并没有任何现有理论支持，”王说。“四年前，在半导体研究公司和国防高级研究计划局的大力支持下，我们开始寻找一种实用的途径来寻找一种实用的途径，以便为未来的计算和存储设备发展和应用拓扑绝缘体材料。实验发现导致了拓扑绝缘体材料的新理论。

“研究就是要耐心和与团队成员合作。这次有很大的回报，”王说。