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科学家研发出下一代芯片 读取和记忆不再分离

发布时间: 2025-10-09 07:50:19    最后更新: 2026-10-26 01:44:09    阅读:142  约5 分钟阅读     

【中国观察北京时间2025年10月07日讯】近期,美国麻省理工学院(MIT)团队成功研发一款全新的磁性电晶体(晶体管)。用它做出的产品不仅内建记忆体功能,更拥有结构紧凑、性能优异的特性,有望改写整个科技行业的未来。

传统电晶体主要以硅元素为主,能像微型电灯开关控制电路,或在通讯系统中放大微弱讯号。不过,这种硅做的传统电晶体受到物理限制,使其难以在过低的电压下运行,且体积和能效也无法更进一步突破。

为了克服这一瓶颈,科学家花费数十年时间尝试利用“电子自旋”(electron spin)方式来控制磁性电晶体。这种“电子自旋”就像一个微小的磁铁,为操控电流提供了新途径。然而,过去的磁性材料多数缺乏半导体所需的良好电子特性,使它们在性能上存在许多无法克服的缺陷,限制了装置的性能表现。

这次,美国麻省理工学院多个学系与捷克布拉格化工大学(VŠCHT)共同合作,使用一种兼具稳定磁性与良好电子特性的二维材料“硫溴化铬”(CrSBr)取代电晶体表面层的硅,成功开发一种全新的磁性电晶体(magnetic transisto)。此创新旨在实现更小、更快、更节能的晶体电路。

硫溴化铬制成电晶体不仅克服了过去的缺陷,还让研究人员能够在2种磁状态之间进行稳定的任意切换,大幅提升电流控制的效率。研究人员更发现这些磁状态会改变材料的电子特性,从而实现电晶体能在低功耗下运作,这可谓一项关键性突破。

这款全新磁性电晶体制作过程并不难。研究人员首先在硅基板上图案化电极,之后用胶带取代传统的溶剂或胶水,精准转移一小块只有数十奈米(nm)厚度的二维材料,且整个过程确保表面清洁和无任何污染风险。

原因是传统转移电晶体会用到溶剂或胶水,这些物质可能残留在电晶体上,并污染整个材料。

硫溴化铬材料与许多其它二维材料不同,它能在不被氧化情况下,在空气中保持稳定运作。此外,硫溴化铬制成的磁性电晶体无污染特性,使其设备性能上要优于传统磁性电晶体。

更令研究团队振奋的是,传统的电晶体装置仅能造成电流百分之几的变化,但这次新设计装置的电流切换幅度提升10倍以上,显示其具有相当高的潜力。另外,研究人员可以使用电流来控制该种材料的磁力强度,且无需额外磁场就能操控电子产品内的特定电晶体。

这项结果对于工程师而言意义重大,因为过去工程师难以将磁场施加到电子设备中的单一电晶体上。

此外,这种磁性电晶体还可以让电晶体里面建立“储存”和“读取”能力,其运作方式与“传统记忆体”(RAM)的储存和读取截然不同。

传统记忆体主要由一个磁性单元和一个电晶体组成,前者用于储存讯息,后者用于读取资讯。通常是先透过改变磁性单元进行资料储存,之后再透过电晶体进行资料读取。

硫溴化铬磁性电晶体简化逻辑或记忆体电路的设计,不仅缩短记忆体读取和储存所需时间,也开启高性能电子产品的新应用。基于此次演示成果,研究人员计划进一步探索利用电流控制这些电晶体,并开发可扩展的阵列制造方法,以便加速未来的实际应用。

此论文的共同第一作者、麻省理工学院(MIT)电气工程与电脑科学系(EECS)和物理系研究生周忠涛(音译,Chung-Tao Chou)对MIT新闻室表示,“人们对磁铁的认识已有数千年,但将磁性融入电子产品的方法却相当有限。这次展示一种有效利用磁性的方法,为未来的应用和研究开辟更多可能性。”

刘路桥(音译,Luqiao Liu)则表示,“在这项工作中,我们结合磁学和半导体物理学来实现有用的自旋电子装置。现在电晶体不仅能开关,还能记忆资讯。另外,我们能以更大的幅度切换电晶体,使其讯号变得更强,从而更快、更可靠的读取讯息。”

这项获得美国国防高级研究计划局(DARPA)、美国国家科学基金会(NSF)、能源部、美国陆军研究办公室、美国半导体研究公司(SRC),以及捷克教育部等多方支持,且部分研究和实验在MIT.nano设施完成。这项研究结果于9月22日发表到《物理评论快报》学术期刊上。

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