智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | 高歌
編輯 | 雲鵬
智東西3月15日消息，近期，我國西北工業大學、國家納米科學中心等機構的科研人員研發出一種基於金屬納米粒子晶體管與邏輯電路的新設計方案，在器件結構上有所創新。該設計方案在優化了金屬納米粒子器件性能的同時，還使器件可以抵抗高電壓靜電損傷。
這種晶體管採用全金屬納米粒子製成，首次可以控制金屬納米粒子晶體管的電流大小，實現一位二進制數的加法運算。該晶體管由於採用金屬納米粒子，可以承受潮濕等惡劣環境，也可以承受彎曲與變形，其論文登上了頂級學術期刊《自然·電子》。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-020-00527-z
一、金屬納米粒子器件難以調節電導率晶體管是一種可以放大、傳導、切換電子信號或電流的器件，是電子設備的關鍵組件，通常使用無機或有機半導體材料製造。
金屬通常不適合作為晶體管原料，因為它們會屏蔽電場，使得研究人員很難對電導率、電流大小進行調節。
過去的研究表明，基於金屬納米粒子的邏輯電路運行速度要比硅基器件慢得多，但金屬納米粒子器件也有很多優點。
例如，與半導體器件相比，它們可以在潮濕的環境中運行，可彎曲、變形，也可以承受靜電放電。在半導體器件發展接近瓶頸的今天，這種非硅器件或許是未來電子器件的一種發展方向。
此前，韓國蔚山科技大學的Bartosz A. Grzybowski及其團隊發現使用有機功能化的納米金屬粒子，可以製得簡單的電迴路。在這種電迴路中，電流通過納米粒子周圍被困住的離子濃度梯度來控制。
這種方法經常被用來製造電阻器、二極管和傳感器等電子器件，但是這些電子器件仍然存在難以調節電導率、改變電流的問題。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/nnano.2016.39
而本次西北工業大學李鐵虎教授及其團隊的研究卻解決了這一問題，實現了技術上的突破。
二、研究團隊採用五電極結構，完成半加邏輯運行西北工業大學、國家納米科學中心和韓國蔚山科技大學的科研人員為了難以調整電導率的問題，採用碳材料作為電極實現了顯著的電荷濃度梯度分佈。
通過對器件結構的進一步優化，研究團隊設計並構築了一種五電極結構的金屬納米粒子晶體管。
金屬納米粒子晶體管示意圖與實驗圖像（來源：《自然·電子》）
其中三個門電極高度對稱，不僅可以降低漏電流，而且能使門電壓有效地調控源漏電極之間的輸出，達到了調節電導率的效果。
最後，他們通過將電極沉積在柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上，完成了器件研發。
在實現電導率可控的同時，該晶體管通過構築邏輯器件，完成了與門、或門、與非門、或非門等基本邏輯的運行，實現了全金屬納米粒子半加器的邏輯輸出。
邏輯門與半加器電路（來源：《自然·電子》）
三、金屬納米粒子器件開關比達400，仍有進步空間在實驗評估中，金屬納米粒子器件的表現非常出色，實現了在靜電放電和彎曲條件下的運行，其概念驗證器件的開關比（電流調節能力）達到400左右。
金屬納米粒子晶體管在彎曲和靜電放電環境中的性能（來源：《自然·電子》）
不過，他們暫時只建造了晶體管的概念驗證器件來評估其優點，論文中提到，這項研究仍有兩點缺陷還需要繼續研究改進。
第一，儘管根據晶體管結構推測，研究人員可以得到與論文中類似的結論。但想要使晶體管小型化，體現實際使用中的性能，還需要更加專業的製造設備，這超出了該研究團隊的能力範圍。
第二，該論文已經證明，對於全金屬納米粒子晶體管，當反離子梯度形成的距離約為1微米時，開關時間可以做到毫秒級別。
不過，如果該器件使用更小的納米粒子，通過增加反離子濃度，應該可以使離子梯度更陡，從而進一步提高晶體管開關比。
論文結論部分稱，非常期待這兩點缺陷的改進。
結語：金屬納米粒子或可以替代部分半導體器件半導體器件是現代科技中的基礎與關鍵，隨着電子器件尺寸的縮小和集成程度的提升，摩爾定律開始難以維繫。為了製備功能更強大的的電子器件，一系列非硅材料陸續進入人們視野。
納米粒子由於尺寸較小，具有其同種較大尺寸材料缺乏的優異性能。而金屬納米粒子的光學和催化性能在等離子體和能量轉換方面表現優異，未來可能會成為一種主流非硅電子器件材料。
來源：Tech Xplore、《自然·電子》