美首次制造出不使用半導體的晶體管

　　據美國每日科學(xué)網(wǎng)站6月21日報道，美國科學(xué)家首次利用納米尺度的絕緣體氮化硼以及金量子點(diǎn)，實(shí)現量子隧穿效應，制造出了沒(méi)有半導體的晶體管。該成果有望開(kāi)啟新的電子設備時(shí)代。

　　幾十年來(lái)，電子設備變得越來(lái)越小，科學(xué)家們現已能將數百萬(wàn)個(gè)半導體集成在單個(gè)硅芯片上。該研究的領(lǐng)導者、密歇根理工大學(xué)的物理學(xué)家葉躍進(jìn)(音譯)表示：“以目前的技術(shù)發(fā)展形勢看，10年到20年間，這種晶體管不可能變得更小。半導體還有另一個(gè)先天不足，即會(huì )以熱的形式浪費大量能源。”

　　科學(xué)家們嘗試使用不同材料和半導體設計方法來(lái)解決上述問(wèn)題，但都與硅等半導體有關(guān)。2007年，葉躍進(jìn)開(kāi)始另辟蹊徑，制造沒(méi)有半導體的晶體管。葉躍進(jìn)說(shuō)：“我的想法是用納米尺度的絕緣體并在其頂部安放納米金屬來(lái)制造晶體管，我們選擇了氮化硼碳納米管(BNNTs)做基座。”隨后，他們使用激光，將直徑為3納米寬的金量子點(diǎn)(QDs)置于氮化硼碳納米管頂端，形成了量子點(diǎn)—氮化硼碳納米管(QDs-BNNTs)。對于金量子點(diǎn)來(lái)說(shuō)，氮化硼碳納米管是完美的基座，其尺寸小、可控而且直徑一致，同時(shí)還絕緣，也能對其上的量子點(diǎn)大小進(jìn)行限制。

　　研究人員同橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室(ORNL)的科學(xué)家們攜手合作，在室溫下讓量子點(diǎn)—氮化硼碳納米管兩端的電極通電。有趣的事情發(fā)生了：電子非常精確地從一個(gè)量子點(diǎn)跳到另一個(gè)量子點(diǎn)這就是量子隧穿效應。葉躍進(jìn)表示：“這種設備的穩定性非常好。”

　　葉躍進(jìn)團隊利用這一設備制造出了一種晶體管，其中沒(méi)有半導體的“身影”。當施加足夠的電壓時(shí)，其會(huì )打開(kāi)到導電狀態(tài);當電壓低或關(guān)閉時(shí)，它會(huì )恢復到其天然的絕緣體狀態(tài)。而且，這一設備沒(méi)有“漏網(wǎng)之魚(yú)”：沒(méi)有來(lái)自金量子點(diǎn)的電子逃進(jìn)絕緣的氮化硼碳納米管內，因此，隧道會(huì )一直保持冷的狀態(tài)。而硅常遇到泄露，使電子設備中的大量能量以熱的形式被浪費掉。

　　密歇根理工大學(xué)的物理學(xué)家約翰·雅什查克為新的晶體管研究出了理論框架。他表示，此前也有其他科學(xué)家利用量子隧穿制造出了晶體管，但這些設備只在液氦溫度(4.2K)下工作，而新設備則可以在室溫下工作。

　　葉躍進(jìn)的金—納米管設備的秘密就在于“小”：其僅有1微米長(cháng)、20納米寬。雅什查克解釋道：“這個(gè)金島的寬度必須在納米級別，這樣才能在室溫下控制電子。如果它們太大，有很多電子可以在其上流動(dòng)。從理論上而言，當電極之間的距離近到幾分之一微米時(shí)，這些隧道可以小到接近零。”