超薄晶体管革新：从原子层到智能时代
你是否想过，驱动你手机的微小开关如何改变世界？这些被称为晶体管的器件，是现代计算机的基石，它们让手机、银行交易、电视等成为可能。
芝加哥大学与阿贡国家实验室的科学家团队，打造了一款颠覆传统的超薄晶体管。不同于传统三维半导体层，它由原子级薄的半导体层构成，顶部覆盖分子晶体，设计焕然一新。
在芝加哥大学博士后、研究第一作者高梦宇的小组讨论中，展示了分子晶体管。图：芝加哥大学
它基于电荷定位原理，此前仅能在极低温下实现。但团队的新晶体管在室温下运行，突破了技术极限。
整个系统仅四个原子厚，性能却媲美顶尖传统晶体管，展现巨大潜力。
这种仅四个原子厚的新材料，可制成高性能晶体管。上图是电测量下设备阵列的光学图像。图：芝加哥大学
高梦宇在《科学》杂志论文中指出：“这种晶体管行为独特，具备传统晶体管缺乏的有趣特性。”研究人员希望它为微电子和计算开辟新途径，同时推动基础科学发现。
自20世纪50年代，硅晶体管定义了“硅谷”时代。但随着器件小型化，三维向二维转化面临挑战，科学家们积极寻求替代方案。
芝加哥大学朴智雄教授实验室专注于极薄材料，近年开发出原子级纯净的分子薄膜。团队在半导体层上铺设二亚胺分子层，测试时发现了奇特现象。
材料导电性优异，但随电子增加，在临界点转变为绝缘体，停止导电。高梦宇说：“我立刻注意到异常，意识到我们发现了新东西。”
作为晶体管测试时，其性能媲美高性能硅晶体管。传统理论无法解释，团队遂建立新模型。
电子在半导体中快速移动，形成电流。典型晶体管中，栅极电压控制开关，类似水坝闸门，对应计算机的1和0状态。
在新材料中，电子自由运动，栅极电压升高时电流增加，直至电压达到阈值。此时，分子层电子与栅极正电荷配对稳定，中断电流，晶体管关闭却仍含电子，即电荷定位现象。
朴智雄教授表示：“令人惊讶的是，电子一旦能进入分子层，便会全部涌入。”
这一发现意义深远。普通硅晶体管需n型和p型层，新设备则无需此结构，且工作电压更低，有助于节能和减少冷却需求，对AI时代电子散热至关重要。
新材料还展现出全新行为，可可靠制造并大规模集成，为技术解锁新能力。更重要的是，所有操作在室温下进行，便于实际应用。
高梦宇补充：“其他系统需低温冷却才能观测电荷定位，而我们的系统在室温下即可实现。”这为物理研究提供了便捷平台。
团队正探索不同配置以调整材料特性，例如制造电子晶体，此前仅在特殊条件下实现。朴智雄总结：“分子能设计出惊艳的电子材料，这将真正开拓新视野。”
研究合著者包括研究生洪汉宇、范思成、泽赫拉·纳克维、梁策、余涵和葛景元；博士后陶莫吉特·乔杜里、邱玉庆和金东协；以及阿尔贡国家实验室的内森·盖辛格。芝加哥大学教授Suriyanarayanan Vaikuntanathan和Chong Liu也参与了研究。
本文基于论文“离子耦合双层晶体管中的室温电荷定位”，发表于《科学》2025年。配图未特别标注处，均来自自绘或公开图库。
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