“晶体管”不输于硅基晶体管的首款磁电晶体管 促进设备小型化

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科学家常说，20世纪最小但最伟大的发明是晶体管。晶体管是一种固体半导体器件，其中包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。并且与普通机械开关不同，晶体管利用电信号来控制自身的开合，所以其开关的速度非常快。

晶体管的种类较多，能够根据材料、PN结极性、制造工艺、功率、工作频率、功能用途、封装形式等来进行分类。典型的硅基晶体管由多个 " 端子 "(极)组成。其中两个，被称为源极和漏极，用作电子流过电路的起点和终点。在栅极和源极之间施加电压，可以决定电流以低电阻还是高电阻流动，从而导致分别编码为 1 或 0 的电子电荷的累积或缺失。但是随机存取存储器，需要持续的电源来维持这些二进制状态。

近日，内布拉斯加大学林肯分校和布法罗大学的科学家在一项新研究中，对晶体管进行了新的改造。在最新研究中心，研究团队没有将常见的电子电荷作为其方法的基础，而是转向自旋——另一种与磁性相关的电子特性，它可以指向上方或下方，并且可以像电荷一样读取为 1 或 0。研究表明，流经石墨烯的电子可以在相对较长的距离内保持其初始自旋方向，这一特性对于基于自旋电子学的晶体管极具潜力。

同时，为了解决控制自旋的方法，并使用比传统晶体管少得多的功率，研究人员需要用合适的材料在石墨烯上打底。经过多年的寻找研究，他们发现了一种磁电材料——氧化铬，这种材料意味着着其表面原子的自旋可以通过施加少量的临时能量吸收电压，反之亦然。当施加正电压时，底层氧化铬的自旋指向上方，最终迫使石墨烯电流的自旋方向向左偏，并在此过程中产生可检测的信号。相反，负电压会使氧化铬的自旋向下翻转，石墨烯电流的自旋方向向右偏转，并产生一个明显不同的信号。

这种新的磁电晶体管将会以极少的能源成本，来提供巨大的保真度，并且只需对其施加电压，而且其性能也不会输典型的硅基晶体管。磁电晶体管不仅有望帮助满足人们对数字存储器日益增长的需求，将该领域的能耗降低5%，还可将存储某些数据所需晶体管的数量减少多达75%，进一步促进设备的小型化。

该研究论文题为 "Graphene on Chromia: A System for Beyond-Room-Temperature Spintronics"，已发表在《先进材料》期刊上。

(资料参考来源：科技日报、前瞻网、百科)

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