世界上最薄半导体晶体中光线传播研究取得进展

导读

背景

在隐藏于笔记本电脑或者智能手机中的每个现代微型电路中，你都会看到晶体管。晶体管是一种小型半导体器件，它控制电流流动，即电子的流动。

如果用光子（光的基本粒子）取代电子，那么科学家们将有望创造出新型计算系统，这种系统将能够处理以接近光速流动的大量信息。

目前，在量子计算机中，光子被认为是传递信息的最佳方案。然而，这些仍然只是假想计算机。它们按照量子世界的规律运作，并且能比大多数最强大的超级计算机更加高效地解决某些问题。

虽然创造量子计算机没有基本限制，但是科学家们仍然没有选择出哪种材料平台可以最方便且有效地实现量子计算机概念。目前，超导电路、冷原子、离子、钻石中的缺陷以及其他系统，为了被未来量子计算机选中而展开竞争。

创新

这一次，科学家们提出了半导体平台和二维晶体。近日，维尔茨堡大学（德国）、南安普顿大学（英国）、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学（法国）、亚利桑那大学（美国）、西湖大学（中国）、俄罗斯科学院约飞物理技术研究所、圣彼得堡国立大学的科学家们组成的国际科研团队研究了光子是如何在世界上最薄的半导体晶体平面中传播的。结果是，空间中的光线偏振分布类似于三色的海螺。物理学家们的研究成果为创造单原子光学晶体管（量子计算机的组件）开辟了道路，有望实现光速计算。研究论文发表在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》期刊上。

技术

研究人员研究了光线在二硒化钼（MoSe2）二维晶体层中的传播。二硒化钼只有一个原子的厚度，是世界上最薄的半导体晶体。研究人员发现，偏振光在这种极细晶层中的传播取决于光线传播的方向。这个现象是由于晶体中的自旋轨道相互作用引起的。有意思的是，正如科学家们所指出的，这幅图展示的偏振光空间分布非同寻常，看上去像五彩缤纷的的海螺。

实验中所用的非常精细的二硒化钼晶体是在维尔茨堡大学 Sven Höfling 教授实验室中合成的。它是欧洲最佳的晶体生长实验室之一。在圣彼得堡国立大学教授 Alexey Kavokin 的监督下，科学家们在维尔茨堡和圣彼得堡进行测量。Mikhail Glazov 在开发理论基础中扮演了重要角色。他是俄罗斯科学院的通信成员、圣彼得堡国立大学自旋光学实验室的雇员、约飞物理技术研究所的首席研究助理。

价值

圣彼得堡国立大学自旋光学实验室的领头人 Alexey Kavokin 教授表示：“我预见，在不久的将来，二维单原子晶体将用于量子设备中的信息传输。对于经典的计算机与超级计算机需要花很长时间才能完成的任务来说，量子计算设备完成起来非常快。因此，量子技术有着巨大的危险，可以与原子d的危险相提并论。例如，在量子技术的帮助下，非常迅速地非法入侵银行保护系统将成为可能。这就是如今密集的研究工作在进行的原因所在。这些工作包括创造保护量子设备的手段，即量子加密技术。而我们的工作主要为半导体量子技术作出了贡献。”

此外，正如科学家们所提到的，这项研究是朝着研究光诱导（即出现在光线下）的超导性迈出的重要一步。当材料允许电流以零电阻通过时，超导现象就发生了。目前，这种状态无法在零下70摄氏度以上的温度条件下实现。可是，如果找到合适的材料，这项发现有可能将电力零损耗地传输到地球上的任何位置，并创造出新一代的电动马达。应该被记住的是，2018年3月，Alexey Kavokin 的研究团队曾预测，含有超导金属（例如铝）的结构，有助于解决这个问题。如今，圣彼得堡国立大学的科学家们正在寻找途径获取他们理论的实验证据。

参考资料

【1】http://english.spbu.ru/news/3015-three-colour-rapana-physicists-have-let-light-through-the-plane-of-the-world-s-thinnest-semiconductor-crystal

英国沃里克大学(Warwick University)的科学家们发现了一种在纳米层面改变半导体结构的方法，它可以将几种材料的电池效率提高到理论极限之外。

研究小组使用原子力显微镜装置的导电尖端将半导体压迫成一个新的形状。

科学家们将这一发现称为“柔性光伏效应”，它可以通过改变半导体材料的单个晶体，将更多的能量从太阳能电池中释放出来，从而使它们呈现出光伏效应。

在某些类型的半导体中，有围绕中心点的不完美对称现象，它能产生比材料带隙更大的电压，使材料的转化效率非常低。但沃里克大学物理系的科学家们发现了一种使材料翻倍有效的方法，并改变了它们的结构，使它们呈现出光伏效应。

研究人员研究了钛酸锶、二氧化钛和硅晶体，发现这三种晶体都会变形，都会呈现光伏效应。

扩大可从光伏效应中获益的材料范围有几个优点：不需要形成任何类型的纽结任何具有更好光吸收的半导体都可被选用于太阳能电池，最后是可以克服电力转换效率的热力学极限，即所谓的Shockley Queisser 极限。

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pv-magazine

事实上，碳基半导体晶体管最先是由美国与荷兰科学家在1998年制造出来的，截止到2006年之前，我国在碳纳米管晶体管上并没有明显的建树。可以说，我国对碳纳米管晶体管的研究开始于2000年，7年之后才制备出了性能超越硅晶体管的N型碳纳米管晶体管。由此可知，国外的碳纳米管晶体管的研究要比我们早的多，但是到了今天我们与国外的差距远没有硅晶体管那么大，甚至有超越国外的趋势。

总体而言，国外对碳纳米管晶体管的研究，还是比我们要领先的。在2013年，MIT研究团队发表了由178个晶体管组成的只能执行简单指令的碳纳米管计算机。在2019年，MIT团队已能制造完整的由14000个碳纳米管晶体管组成的处理器了。而国内于2017年制造了基于2500个碳纳米管晶体管的处理器，整体性能相当于因特尔4004的水平。至于在2019年国内是否研发出了集成更多碳纳米管晶体管的处理器，目前尚未有报道。

由于碳纳米管较容易聚合在一起，所以MIT团队利用了一种剥落工艺防止碳纳米管聚合在一起，以防晶体管无法正常工作。要知道MIT团队制造的CPU主频只有1Mhz，早期的80386处理器的频率还有16Mhz，也不是说2019年碳纳米管制造的计算机性能，仅相当于1985年制造的硅晶体管处理器的性能，这差距就太大了。离实用化，还有较长的一段路要走。因为碳纳米管晶体管之间的沟道和碳纳米管晶体管的体积过大，导致碳纳米管晶体管可以容纳的电流较小，容纳得电荷较少。MIT制造的由14000个碳纳米管晶体管组成的处理器中的沟道宽度为1.5微米，与现在纳米级相距较远。也只有缩小碳纳米管晶体管的体积和减小沟道的距离，才可以提升整体性能。

但是国内于2017年，就研制出了栅长为5纳米的碳纳米管晶体管，近日又研发出了栅长3纳米的碳纳米管晶体管。可以说，国内在碳纳米管晶体管的小型化上走的比较远。在2007年左右，国内以碳纳米管晶体管制造的处理器主频就高达5Ghz，要比国外2019年制造等我处理器主频高的多。从国外的相关产品来看，其碳纳米管栅长究竟达到了何种地步，也说不准。只不过，由此可知，在碳纳米管的研发上，国内技术最起码不会差国外技术太多，很有可能是同步发展的。

【碳基半导体芯片真的能够助力我国芯片突破西方禁锢？从此不依赖ASML吗？】

我们应该看到了近期的新闻，2020年5月26日，北京元芯碳基集成电路研究院宣布，解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈！ 该消息一出，瞬间引起了我们的关注，于是我们扎堆的认为， 碳基半导体芯片一定能够助力我国芯片的突破，打破西方禁锢？从此不依赖ASML。

了解现状——西方国家垄断的是硅基材料，而这些硅基材料在我国，我们的优势非常的低；一些关键性的材料还是倍国家技术给垄断的。而此时，我们想要打破束缚，就必须要寻找新的思路，于是出现了我们期待的：碳基半导体能否替代未来的硅基材料呢？

其实，有专家表示，北由于碳分子结构稳定，很难像硅材料一样通过掺杂其他物质改变性能。因此，碳纳米管要实现产业化，尚有很长一段路要走。不过，如今，北京元芯碳基集成电路研究院的突破确实给了我们很大的希望。

碳基半导体具有成本更低、功耗更小、效率更高。如果能够打破硅基半导体材料的束缚，走出一条全新的碳基半导体路，我们的芯片发展可能更有意义。

其实，以碳纤维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体，实际上，我们熟知的石墨烯，生物碳以及碳纳米管等等都属于碳基材料。因此，想要碳基材料真正的运用与我们的实际，确实还是有一段路走，可是我们也已经进了一步了。

在芯片处理中， 碳基技术芯片 速度提升，功耗降低，未来更能够运用于多种领域，比如国防，气象，以及我们现在急需要解决的手机芯片，计算机芯片问题。这里我们得知道，相比国外技术， 我国对于碳基技术研究时间早，目前的技术是基于二十年前彭练矛院士提出的无掺杂碳基CMOS技术发展而来。

因此，我们不担心倍国外的技术给限制，因为我们的技术具有前瞻性，确实我们的芯片技术目前还是受限制，特别是ASML的光刻机，因为缺乏技术，在工艺制程方面受到制约。

因此，我们猜测的是，碳基材料未来很有可能打破ASML光刻机的束缚，打破欧美国家芯片的束缚，打造属于我们的芯片技术。

谢谢您的问题。碳基芯片在全球范围内还在朝量产迈进。

碳基芯片目前处于实验室阶段。 IBM和英特尔已经碳基在理论进行了多年的 探索 ，英特尔无果而放弃。IBM与英特尔退而求其次，用的是“掺杂”工艺制备碳纳米管晶体管。在国内，彭练矛和张志勇教授团队在半导体碳碳基半导体材料制备方面取得了研究重大进展，已经领先于全球，但也只是朝产业化进一步迈进。

实验室的成果离现实还很远 。全球碳基芯片真正要实现落地、商品化，除了雄厚的资金，必须要有现有的芯片兼容，直接借用现有半导体产业流程工艺，就可以大大加快碳基芯片产业化进程。

碳基技术需要企业参与 。北京碳基集成电路研究院以前在碳基技术上走在了前列，未来10年发展至少需要20亿元研发投入，这需要企业产研对接，需要企业认识其中的价值。阿里巴巴、腾讯都计划投入数千亿元用于新基建，参与到云服务和芯片全线布局，希望这样的 科技 龙头企业参与“碳基”集成电路，有助于缩短国内碳基技术的商用时间，站在全球视角， 科技 企业及早介入非常重要。

欢迎关注，批评指正。

首先，国外的研究并没有啥进展，因为没有企业投钱，高通的芯片利润这么高，谁会把大把的钱投到一个还不知道成不成功的项目上？

处于 探索 期，技术还远不成熟，距成熟产品路还很远。

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