晶體管是現(xiàn)代電子學(xué)的基石，通常由硅制成。作為一種半導(dǎo)體材料，硅能夠控制電路中的電流流動。但硅存在物理極限，限制了晶體管在體積壓縮和能效提升方面的空間。

麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員如今用磁性半導(dǎo)體替代了硅，研制出新型磁性晶體管。這種材料的磁性強(qiáng)烈影響其電子特性，使電流控制更加高效，有望實現(xiàn)更小、更快且更節(jié)能的電路。團(tuán)隊采用了一種新型磁性材料，并通過優(yōu)化工藝減少缺陷，從而顯著提升了器件性能。

這種材料獨特的磁性還使晶體管具備內(nèi)置存儲功能，能夠簡化電路設(shè)計，并為高性能電子產(chǎn)品開辟新應(yīng)用空間。

MIT 電氣工程與計算機(jī)科學(xué)系及物理系研究生 Chung-Tao Chou 表示：“人類認(rèn)識磁體已有數(shù)千年，但磁性進(jìn)入電子器件的方式極為有限。我們展示了一種高效利用磁性的全新途徑，為未來應(yīng)用和研究打開了廣闊空間。”

相關(guān)成果論文近日發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

突破硅的極限

在電子設(shè)備中，硅半導(dǎo)體晶體管像微小的開關(guān)，通過電壓控制電路的“開”與“關(guān)”，或放大微弱信號。然而，硅半導(dǎo)體存在基本物理極限，電壓無法低于某一閾值，這限制了能效的進(jìn)一步提升。

為此，科研人員數(shù)十年來一直探索利用電子自旋（spin）來控制電流的磁性晶體管。電子自旋是電子的基本屬性，使其表現(xiàn)為微型磁體。但此前常用的磁性材料缺乏半導(dǎo)體優(yōu)良的電子特性，導(dǎo)致器件性能受限。

“在這項研究中，我們將磁性與半導(dǎo)體物理結(jié)合，開發(fā)出實用的自旋電子器件。”MIT 副教授 Luqiao Liu 介紹。

研究團(tuán)隊在晶體管表層使用了硫溴化鉻（CrSBr）這一二維磁性半導(dǎo)體材料。該材料能在兩種磁性狀態(tài)間清晰切換，非常適合作為能夠平滑開關(guān)的晶體管。實驗發(fā)現(xiàn)，磁性狀態(tài)的切換會改變材料的電子特性，從而實現(xiàn)低能耗操作。同時，與許多其他二維材料不同，溴化硫鉻在空氣中也能保持穩(wěn)定。

研究人員通過在硅基片上制作電極，再將厚度僅數(shù)十納米的二維材料轉(zhuǎn)移到其表面來制造晶體管。與常見的溶劑或膠水轉(zhuǎn)移方法不同，他們采用“膠帶取樣”技術(shù)，避免了表面污染，從而保證了器件的高性能。

利用磁性實現(xiàn)更強(qiáng)功能

得益于干凈的材料表面，該器件性能超越了現(xiàn)有磁性晶體管。多數(shù)傳統(tǒng)磁性晶體管只能讓電流變化幾個百分點，而這款新型晶體管能放大電流達(dá) 10 倍。

研究人員通過外加磁場改變材料的磁性狀態(tài)，實現(xiàn)了比傳統(tǒng)晶體管所需更低能耗的開關(guān)。同時，該材料還能通過電流直接調(diào)控磁性，這對工程應(yīng)用至關(guān)重要——因為在實際電路中，工程師無法對每個晶體管施加獨立磁場，只能通過電信號進(jìn)行控制。

此外，該材料的磁性特性使得晶體管兼具存儲功能。通常一個存儲單元需要一個磁性元件存信息，再配合晶體管讀取。而這種方法可將兩者合二為一，形成既能開關(guān)又能存儲的磁性晶體管。

Luqiao Liu 解釋：“現(xiàn)在晶體管不僅能開和關(guān)，還能記住信息。而且我們能以更大幅度切換晶體管，信號更強(qiáng)，讀取速度更快，也更加可靠。”

未來，團(tuán)隊計劃進(jìn)一步研究如何利用電流來精準(zhǔn)控制該器件，并努力讓這一方法具備規(guī)模化制造的潛力，從而實現(xiàn)晶體管陣列的加工與應(yīng)用。