美国科学家研发出新型薄膜半导体,电子迁移速度约为传统半导体 7 倍

发布日期：2024-07-22

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7 月 20 日消息，来自美国麻省理工学院、加拿大渥太华大学等机构的科学家，利用一种名为三元碲铋矿（ternary tetradymite）的晶体材料研制出一种新型超薄晶体薄膜半导体。

据介绍，这种 " 薄膜 " 厚度仅 100 纳米，其中电子的迁移速度约为传统半导体的 7 倍从而创下新纪录。这一成果有助科学家研发出新型高效电子设备。相关论文已经发表于《今日材料物理学》杂志（附 DOI:10.1016/j.mtphys.2024.101486）。

据介绍，这种 " 薄膜 " 主要是通过 " 分子束外延技术 " 精细控制分子束并 " 逐个原子 " 构建而来的材料。这种工艺可以制造出几乎没有缺陷的材料，从而实现更高的电子迁移率（即电子在电场作用下穿过材料的难易程度）。

简单来说，当科学家向 " 薄膜 " 施加电流时，他们记录到了电子以 10000 cm ² /V-s 的速度发生移动。相比之下，电子在 " 硅半导体 " 中的移动速度约为 1400 cm ² /V-s，而在传统铜线中则要更慢。

这种超高的电子迁移率意味着更好的导电性。这反过来又为更高效、更强大的电子设备铺平了道路，这些设备产生的热量更少，浪费的能量更少。

研究人员将这种 " 薄膜 " 的特性比喻成 " 不会堵车的高速公路 "，他们表示这种材料 " 对于更高效、更省电的电子设备至关重要，可以用更少的电力完成更多的工作 "。

科学家们表示，潜在的应用包括将 " 废热 " 转换成电能的可穿戴式热电设备，以及利用电子自旋而不是电荷来处理信息的 " 自旋电子 " 设备。

科学家们通过将 " 薄膜 " 置于极寒磁场环境中来测量材料中的电子迁移率，然后通过对薄膜通电测量 " 量子振荡 "。当然，这种材料即使只有微小的缺陷也会影响电子迁移率，因此科学家们希望通过改进薄膜的制备工艺来取得更好的结果。

麻省理工学院物理学家 Jagadeesh Moodera 表示：" 这表明，只要能够适当控制这些复杂系统，我们就可以实现巨大进步。我们正朝着正确的方向前进，我们将进一步研究、不断改进这种材料，希望使其变得更薄，并用于未来的自旋电子学和可穿戴式热电设备。"

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