盖世汽车讯 据外媒报道，以色列理工学院（Technion in Israel）电气与计算机工程学院Andrew与Erna Viterbi系的研究人员展示了对一种新兴材料的控制能力，且认为这种材料未来可能是微电子领域硅的替代品。

这一发现非常及时，因为科学家和工程师们正在不断缩小晶体管方面正面临着挑战，而晶体管是计算机芯片性能的重要驱动力。研究相关论文已发表于期刊《Advanced Functional Materials》。

图片来源：期刊《Advanced Functional Materials》

集成电路，通常称为计算机芯片，或简称为芯片，是现代生活的核心，负责处理、存储和传输大量数据。芯片负责无数任务，包括疫苗开发、航天器设计、互联网基础设施、大数据、自动驾驶汽车、人工智能和物联网。

芯片性能的持续改进是通过缩小最基本的逻辑“乐高（Lego）”部件——晶体管的尺寸来推动的。晶体管是控制电流流动的微型开关，类似于控制水流的水龙头。20世纪60年代初，英特尔创始人Gordon Moore提出，晶体管的小型化率应允许单位面积的晶体管数量每两年增加一倍。这一预测就是摩尔定律（Moore's Law），几十年来一直决定着小型化速度。目前，现代芯片在大约一平方厘米的面积上可包含数十亿个晶体管。

但2007年，Moore宣布其定律将在几年内不再有效。英伟达首席执行官甚至去年表达了更为悲观的观点，称“摩尔定律已死”，其他技术专家也持同样的观点。

电气与计算机工程学院Viterbi系的Lior Kornblum教授解释说：“由于不断小型化，现代晶体管的直径只有几十个原子。因为已经足够小，所以在不影响其性能的情况下继续小型化变得越来越重要，也越来越具有挑战性。在纳米尺度上，晶体管以不同于其上几代（较大）产品的新方式运行。”

该问题的一种表现是当晶体管（开关）应该关闭时会漏电流。Kornblum教授解释说：“它可以比作一个漏水的水龙头，乘以十亿；这可能会导致‘水’的大量浪费。在拥有数十亿个晶体管的现代手机中，最微小的电流泄漏都会累积成相当大的能源浪费。这可能会迅速耗尽电池并导致设备过热。在考虑服务器群和数据中心时，能源浪费可能很大，并产生大量热量。”

有多种方法和策略可以应对这些挑战。一是寻找硅的替代品，硅是当今芯片的主力。Kornblum教授的研究小组正在研究各种氧化物材料，其中一种具有超强特性：可以从电导体转变为绝缘体，然后再转变回来。研究人员希望在未来的晶体管中利用这一特性，从而提高开关效率。

开发这种技术需要精确控制材料特性。以色列理工学院的研究人员展示了一种通过精确控制原子之间的距离来操纵材料电特性的方法。实验室经理Maria Baskin 博士通过使用独特的氧化物生长系统实现了这一目标。她将原子层一层一层地沉积在另一层之上，从而生长出材料薄膜。由于这种微妙的生长过程，她能够以皮米精度设置原子之间的距离。相比之下，硅中两个原子之间的距离约为四分之一纳米，即250皮米。

这种独特的氧化物生长系统是在以色列理工学院投入巨资建立的，是开发下一代半导体、磁性材料和可再生能源材料（如尖端催化剂）的推动者。

Baskin教授表示：“每天早上，我都会来到实验室并启动系统。我们可以从各种原子中进行选择，控制它们的排列和它们之间的间距。利用这些功能，我们甚至可以创造出以前不存在的材料，并且根据我们的要求具有广泛的特性。”

实验室负责人Kornblum教授补充道：“我们为氧化物生长开发的工具是独一无二的。氧化物生长只是第一步。在该系统中，研究生开始研究，一些人关注材料的物理特性，努力了解材料的功能，而一些人利用这些材料来制造电子设备。我们希望这些电子设备将彻底改变微电子学和可再生能源等领域。”

研究小组表明，通过在原子水平上拉伸材料，原子之间化学键的伸长会改变电特性：拉伸不到原子键长度的2%，研究人员降低了电子从一个原子跳跃到另一个原子的倾向。此外，这种拉伸改变了原子在空间中的排列方式。通过这些在一皮米尺度上发生的微小变化，研究人员为控制材料从导电状态到绝缘状态的转变奠定了基础。