现代电子设备的基石——晶体管，通常由硅材料制成。作为一种半导体，硅能够有效控制电路中的电流流动。然而，硅存在基本的物理限制，制约了晶体管的紧凑程度和能源效率。现在，麻省理工学院(MIT)的研究人员通过用磁性半导体替代硅，成功研发出一种磁电晶体管，有望实现更小、更快、更节能的电子电路。该材料的磁性能强烈影响其电子行为，从而实现对电流流动的更高效控制。
突破传统限制
在电子设备中，硅半导体晶体管如同微小的电灯开关，控制电路的通断或放大通信系统中的弱信号。它们通过施加小的输入电压来实现这一功能。然而，硅半导体存在一个基本的物理限制，即晶体管无法在特定电压以下运行，这阻碍了其能源效率的提升。
为了制造更高效的电子设备，研究人员数十年来一直致力于开发利用电子自旋控制电流流动的磁电晶体管。电子自旋是电子的一个基本属性，使电子能够表现得像微小的磁体。迄今为止，科学家大多局限于使用某些磁性材料，但这些材料缺乏半导体的理想电子特性，限制了设备性能。
在这项研究中，研究人员将晶体管表面层中的硅替换为铬硫溴ide(CrSBr)，这是一种作为磁性半导体的二维材料。由于该材料的特殊结构，研究人员可以非常干净地在两种磁状态之间切换，这使其成为在"开"和"关"状态之间平滑切换的理想晶体管材料。
材料选择与优化
"我们面临的最大挑战之一是寻找合适的材料，"MIT电气工程与计算机科学(EECS)和物理系研究生、论文共同第一作者周同涛(Chung-Tao Chou)表示，"我们尝试了许多其他材料，但都不成功。"
研究人员发现，改变这些磁状态可以修改材料的电子特性，实现低能耗运行。与许多其他二维材料不同，铬硫溴ide在空气中保持稳定。
为了制造晶体管，研究人员在硅基板上图案化电极，然后仔细对齐并转移二维材料在上面。他们使用胶带拾取只有几十纳米厚的微小材料片段，并将其放置在基板上。
"许多研究人员会使用溶剂或胶水进行转移，但晶体管需要非常清洁的表面，"周同涛解释道，"我们通过简化这一步骤消除了所有这些风险。"
磁性能的优势
这种无污染的特性使他们的设备性能优于现有的磁电晶体管。大多数其他晶体管只能产生微弱的磁效应，电流变化仅为百分之几或更少。而他们的新晶体管可以将电流切换或放大10倍。
他们使用外部磁场改变材料的磁状态，以显著低于通常所需的能量切换晶体管。该材料还允许他们用电控制磁状态，这一点至关重要，因为在电子设备中，工程师无法对单个晶体管施加磁场，他们需要通过电控方式控制每个晶体管。
该材料的磁性能还可使晶体管具备内置存储功能，简化逻辑或存储电路的设计。典型的存储设备具有磁性单元存储信息和晶体管读取信息的功能。他们的方法可以将两者合二为一，成为一个磁电晶体管。
"现在，晶体管不仅能够开启和关闭，还能记住信息。由于我们可以以更大的幅度切换晶体管，信号强得多，因此我们可以更快、更可靠地读取信息，"EECS副教授、电子学研究实验室成员刘国强(Luqiao Liu)表示。
未来发展方向
基于这一示范，研究人员计划进一步研究使用电流控制设备的方法。他们还在努力使其方法具有可扩展性，以便能够制造晶体管阵列。
这项研究得到了半导体研究公司、美国国防高级研究计划局(DARPA)、美国国家科学基金会(NSF)、美国能源部、美国陆军研究办公室以及捷克教育部、青年和体育部的部分支持。部分工作在MIT纳米设施进行。
这项突破性技术为电子设备的发展开辟了新的可能性，随着研究的深入和技术的完善，我们有望看到更小、更快、更节能的电子设备在未来几年内问世，为各个领域带来革命性的变化。
