在研究人員看來，鐵電半導體是將主流計算與下一代架構連接起來的競爭者，現在密歇根大學的一個團隊已經將它們制造得只有 5 納米厚——大約只有 50 個原子的跨度。

這為將鐵電技術與計算機和智能手機中使用的傳統組件相結合、擴展人工智能和傳感能力鋪平了道路。它們還可以啟用無電池設備，這對于為智能家居提供動力的物聯網 (IoT) 至關重要，可以識別工業系統的問題并提醒人們注意安全風險等。

“這將允許實現超高效、超低功耗、與主流半導體完全集成的設備，” UM 電氣與計算機工程教授、該研究的共同通訊作者Zetian Mi說。“這對于未來的人工智能和物聯網相關設備來說非常重要。”

鐵電半導體從其他半導體中脫穎而出，因為它們可以維持電極化，就像磁性的電版本。但與冰箱磁鐵不同的是，它們可以切換正極和負極。此屬性可用于多種用途，包括感測光和聲振動，以及收集它們以獲取能量。

“這些鐵電設備可以自供電，”米說。“他們可以收集環境能量，這非常令人興奮。”

它們提供了一種不同的方式來存儲和處理經典信息和量子信息。例如，兩個電極化狀態可以作為計算中的一和零。這種計算方式還可以模擬神經元之間的連接，從而實現大腦中的記憶存儲和信息處理。這種架構被稱為神經形態計算，非常適合支持通過神經網絡處理信息的 AI 算法。

以電極化的形式存儲能量比 RAM 中的電容器需要更少的能量，RAM 中的電容器會不斷汲取能量，否則會丟失它們存儲的數據，甚至可能比 SSD 更耐用。這種內存可以更密集地封裝，增加容量，并且對包括極端溫度、濕度和輻射在內的惡劣環境更加穩健。

Mi 的團隊之前曾在由摻有鈧的氮化鋁制成的半導體中展示鐵電行為，這種金屬有時用于強化高性能自行車和戰斗機中的鋁。然而，要在現代計算設備中使用它，他們需要能夠將其制成薄于 10 納米或大約 100 個原子厚度的薄膜。

他們通過一種稱為分子束外延的技術實現了這一點，這種方法與制造驅動 CD 和 DVD 播放器中激光器的半導體晶體的方法相同。在具有強烈蒸汽朋克氛圍的機器中，他們能夠放置 5 納米厚的晶體——這是有史以來最小的尺寸。他們通過精確控制鐵電半導體中的每一層原子，并最大限度地減少表面原子的損失來做到這一點。

“通過減少厚度，我們表明我們很有可能降低工作電壓，”電氣和計算機工程研究科學家、該研究的第一作者王丁說。“這意味著我們可以減小設備的尺寸并降低運行期間的功耗。”

此外，納米級制造提高了研究人員研究材料基本特性的能力，發現了其在小尺寸下的性能極限，并且由于其不尋常的光學和聲學特性，可能為其在量子技術中的應用開辟道路。

“憑借這種薄度，我們可以真正探索微小的物理相互作用，”UM 電氣和計算機工程研究科學家 Ping Wang 說。“這將幫助我們開發未來的量子系統和量子設備。”

該研究由國防高級研究計劃局資助。

審核編輯 ：李倩