（原标题：颠覆性发现！半导体基板竟能“积极参与”电子工艺）

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图片开端：SciTechDaily.com

宾夕法尼亚州立大学疏浚的最新商榷标明，在半导体联想中频繁被残暴的基板，与半导体访佛，积极参与电子工艺。这一发现以二氧化钒和二氧化钛之间的相互作用为中心，可能会透彻改造未回电子建筑的联想和成果。

新的商榷标明，传统上在研讨机芯片联想中被残暴的材料关于处理信息至关垂危。这一梗阻不错为更快、更高效的电子家具铺平谈路。运用先进的成像工夫，由宾夕法尼亚州立大学商榷东谈主员疏浚的一个海外团队发现，半导体芯片建筑所依赖的材料（称为基板）对电力变化的反映与其顶部的半导体特地相似。

商榷东谈主员商榷了半导体材料二氧化钒，他们说这种材料裸潜入行为电子开关的宏大后劲。他们还商榷了二氧化钒若何与基底材料二氧化钛相互作用，并暗意他们讶异地发现基底中似乎有一个有源层，当半导体在绝缘体之间切换时，其行为与其顶部的半导体材料访佛——不让电流流动——而金属——让电流流动。商榷郑重东谈主、宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程和物理学栽培文卡特拉曼·戈帕兰 (Venkatraman Gopalan) 暗意，基板在半导体工艺中弘扬积极作用的发现关于联想将来的材料和器件具有垂危真义真义。

二氧化钒的后劲

“为了跟上摩尔定律，需要新的思法来制造更小、更快的电子家具，”《先进材料》商榷的通信作家戈帕兰说。“正在追求的一个思法是二氧化钒等材料，不错在万亿分之一秒内在金属（单态）和绝缘体（零态）之间切换。这被称为经验金属-绝缘体转机。”

Gopalan 暗意，二氧化钒行为金属到绝缘体晶体管的后劲已得到充剖释说，何况由于其能耗低，该材料被以为在半导体工夫方面很有远景。然则，这种材料的特色仍然莫得被系数意会，到现时为止，它往常是单独不雅察的，而不是在真的建筑中启程点时不雅察的。

材料科学与工程以及物理学栽培 Venkatraman Gopalan 在他的光学实验室中。图片开端：Seana Wood/宾夕法尼亚州立大学材料商榷所

二氧化钒具有利弊干系的电子效应，这意味着电子之间的舍弃会过问建筑，因此弗成像现时硅基电子家具中那样被残暴。这种特色不错使材料具有新颖的功能，举例高温超导性和增强的磁性。

“东谈主们对这种材料的基本物理道理知之甚少，其在建筑几何体式中的性能更是知之甚少，”戈帕兰说。“如若咱们能让它们弘扬作用，电子学将会回话。至极是神经形态研讨——从具有神经元的生命系统的大脑中获得灵感的研讨机系统——不错通过使用此类建筑而受益良多。”

先进的成像和令东谈主讶异的发现

该团队在建筑中而不是孤就地商榷二氧化钒，向其施加电压以使其从绝缘情景转机为导电情景。他们使用阿贡国度实验室的先进光子源 (APS)，该实验室使用苍劲的 X 射线束在原子水平上商榷材料的行为和结构。当绘图材料对切换事件的空间和时刻反映时，商榷东谈主员不雅察到材料和基材的结构发生了出东谈主预思的变化。

“咱们发现，当二氧化钒薄膜酿成金属时，通盘薄膜通谈会了得，这相应时东谈主讶异，”戈帕兰说。“往常情况下它应该放松。很昭彰，薄膜几何结构中还发生了一些畴昔被忽略的事情。”

APS X 射线穿透二氧化钒薄膜并干涉薄膜滋长的二氧化钛 (TiO2) 基板（往常被以为是电气和机械被迫材料）。

“咱们特地讶异地发现，当电脉冲到达时，当薄膜从绝缘体切换到金属并复返时，这种基板特地活跃，以系数令东谈主讶异的格局抖动和反映，”戈帕兰说。“这就像是尾随狗摇，难倒了咱们好久。这一令东谈主讶异且之前被残暴的不雅察已矣系数改造了咱们看待这项工夫的格局。”

表面视力和合作发现

为了意会这些发现，由宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系哈默栽培、工程科学与力学和数学栽培陈龙庆疏浚的表面和模拟责任设备了一个表面框架来解释通盘经过薄膜和基材扩张而不是收缩。当他们的模子将当然存在的缺失氧原子纳入这种带电和不带电两种材料中时，实验已矣就不错得到令东谈主悠然的解释。

戈帕兰说：“这些中性氧空位含有两个电子，当材料从绝缘体转机为金属时，它们不错开释这些电子。” “留住的氧空位当今带电并扩张，导致建筑中不雅察到令东谈主讶异的扩张。这也可能发生在基材中。通盘这些物理经过齐在陈栽培小组的博士后尹石初次在这项责任中进行的相场表面和建模中得到了竣工的捕捉。”

Gopalan 将这一新的缔结归功于多学科团队在材料滋长、合成、结构分析和同步加快器光束线操作方面的概述专科学问。商榷东谈主员接收由好意思国陆军物理科学家、主要实验作家 Greg Stone 和宾夕法尼亚州立大学博士后学者、主要表面作家 Yin Chi 疏浚的合作关节，解开了材料的反映，并使用相场单独不雅察它们模拟，通过在虚构环境中态状物资的多样情景来匡助科学家了解材料随时刻的变化。

柏林保罗·德鲁德固体电子商榷所长处罗曼·恩格尔-赫伯特 (Roman Engel-Herbert) 暗意：“通过将这些群众齐集在全部并网罗咱们对问题的意会，咱们大概远远超出咱们个东谈主的专科学问范围并发现新的东西。”德国，该商榷的合著者，他的团队与康奈尔大学达雷尔·施洛姆的团队全部制作了这些电影。“缔结到功能材料的后劲需要了解其更庸俗的布景，就像复杂的科学挑战只可通过扩大咱们的个东谈主视角来处分相同。”

这种合作使得在短时刻内取得了显着的进展，并在更短的时刻内完成了责任，并带来了来自多个学科的多样不雅点。

商榷东谈主员暗意，这些反应自身需要进一步商榷，但他们信服，了解它们将有助于识别二氧化钒畴昔未知的功能，包括在本商榷之前被以为是被迫的 TiO2 基材中潜在的尚未发现的表象。戈帕兰指出，这项商榷自身照旧进行了十多年，包括考证已矣。

“这即是从道理的科学到不错合手在手掌上的责任建筑所需要的，”戈帕兰说。“实验和表面很复杂，需要大鸿沟息争团队在较永劫刻内密切合作，以处分可能产生要紧影响的勤劳。咱们但愿并欲望这将加快新一代电子建筑的朝上。”

参考文件：

Greg Stone、Yin Shi、Matthew Jerry、Vladimir Stoica、Hanjong Paik、Zhonghou Cai、Darrell G. Schlom、Roman Engel 的“绝缘体到金属转机经过中耦合薄膜-基底弹性能源学的操作中时空成像” Herbert、Suman Datta、Haidan Wen、Long-Qing Chen 和 Venkatraman Gopalan，2024 年 3 月 5 日，先进材料。

DOI：10.1002/adma.202312673

英文原文

https://scitechdaily.com/scientists-discover-surprising-hidden-activity-of-semiconductor-material/

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