明尼苏达大学研发出可提高计算机处理和储存效率的新材料

明尼苏达大学一个研究小组研发出一种可以提高计算机处理和储存效率的新材料。在半导体研究公司的支持下，研究人员已经申请了该材料的专利，但是半导体行业内的人要求提供该材料的样品。

该研究结果发表于Nature Materials(“溅射BixSe(1-x)薄膜中由于量子限制而产生的室温高自旋轨道扭矩”)，Nature Materials是由自然出版集团同行评议的科学杂志。

图片来源:明尼苏达大学

这张横断面透射电子显微镜图像是用于电荷自旋转换实验的样品。在溅射的拓扑绝缘层中，小于6纳米晶粒改变了材料中电子的行为，给材料带来了新的物理性能。

王建平是首席研究员，也是明尼苏达大学杰出麦克奈特教授和Robert F. Hartmann电气工程系主任，他说：“在过去几年里，我们使用的都是半导体行业广泛关注的量子材料，但如果用特殊的方法将其改造成一种具有新的物理和自旋电子特性的材料，就可以极大地提高运行内存的效率。”

这种新材料属于“拓扑绝缘体”材料，由于其独特的自旋电子传输和磁性，由于其独特的自旋电子输运和磁性，最近一直被物理学和材料研究团队以及半导体工业所研究。 拓扑绝缘体通常使用单晶生长工艺制造。 另一种常见的制造工艺为分子束外延，其晶体在薄膜中生长。 但目前这两种技术都不能大规模用于半导体工业。

在这项研究中，研究人员主要研究硒化铋（Bi2Se3），硒化铋一种铋和硒的化合物。 然后用“磁控溅射”薄膜沉积技术，磁控溅射的原理是电子轰击靶材，实现离子和原子之间的动量交换。虽然溅射技术在半导体工业中很常见，但这是它首次被用于制造可用于半导体和磁性工业应用的拓扑绝缘体材料。

然而，最令人惊讶不是溅射技术的成功应用。在溅射的拓扑绝缘体层中，小于6nm晶粒改变了材料中电子的行为，使材料产生了新的物理性质。对新材料进行测试后，研究人员发现，与现有材料相比，使用新材料的计算运行喝储存效率提高了18倍。

Tony Low是明尼苏达大学电子和计算机工程的助理教授，也是该研究的共同作者，他说：“随着晶粒尺寸的减小，会存在“量子限制”，材料中电子以不同的方式运动，这让我们有更多的机会控制电子行为。”

研究人员使用明尼苏达大学独特的高分辨率透射电子显微镜（TEM）研究这种材料，TEM是一种显微技术，其原理是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像将在放大、聚焦后在成像器件（如荧光屏、胶片、以及感光耦合组件）上显示出来。

Andre Mkhoyan是明尼苏达大学化学工程与材料科学与电子显微专家副教授，他说：“利用先进的像差校正扫描瞬变电磁法，我们成功捕获了纳米大小的颗粒影像及其在薄膜中的界面。”

研究人员表示，这些研究仅仅是开始，这一发现可以为半导体行业以及相关行业的进步打开新的大门，例如磁随机存取存储器（MRAM）技术。

马亨德拉•DC (Dangi Chhetri)是论文的第一作者，也是王教授实验室物理学博士生，他说：“这些材料的新物理特性可能会带来更多的新应用。”

王教授也同意这项前沿研究可能会产生重大影响。王教授说：“该领域所有研究人员能都没能想到用溅射工艺制造铋 - 硒化物基拓扑绝缘体，因为这违背了研究员常规逻辑，而且也没有任何现有理论的支持，四年前，在半导体研究公司(Semiconductor Research Corporation)和国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency)的大力支持下，我们开始实施伟大的想法，即寻找一条切实可行的道路，将拓扑绝缘体材料用于未来的计算和存储设备。我们的实验发现，拓扑绝缘体材料刚好提供了一种新的理论。

王教授说：“研究就是需要耐心、团队成员的合作。 这样才能有更大的回报。”

文章来自www.nanowerk.com，原文题目为New topological insulator could improve efficiency of computer processing and memory，由材料科技在线汇总整理。