随着为我们的电子设备提供动力的集成电路功能越来越强大，它们的体积也越来越小。近年来，随着科学家们试图在芯片上安装越来越多的半导体元件，微电子学的这一趋势也在加速发展。阿贡研究人员开创了"氧化还原门控"--一种精确调节电子流的新方法。这一突破有助于开发新型低功耗半导体或量子设备。

载流子操纵和电子状态电场控制的氧化还原门控图解。绿色线代表氧化还原门控的功能分子，其在低功率下工作的能力模仿了人脑中的突触开关，正如底层突触所代表的那样。资料来源：阿贡国家实验室

微电子因其体积小而面临一个关键挑战。为避免过热，微电子的耗电量必须仅为传统电子产品的一小部分，同时仍能以最高性能运行。

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的研究人员取得了一项突破性进展，使一种新型微电子材料能够做到这一点。在发表于《先进材料》（Advanced Materials）的一项新研究中，阿贡团队提出了一种新型"氧化还原门控"技术，可以控制电子在半导体材料中的进出。

阿贡材料科学家陈伟介绍说："研究人员希望制造出与人脑类似的电路，而人脑的运作也具有极高的能效，亚伏特机制正是这种材料的运作机制，这对研究人员来说意义重大"。

"氧化还原"是指导致电子转移的化学反应。微电子器件通常依靠电"场效应"来控制电子的流动。在实验中，科学家们设计了一种装置，通过在一种充当电子门的材料上施加电压--本质上是一种推动电流的压力--来调节电子从一端流向另一端。当电压达到某个阈值（大约半伏特）时，这种材料就会开始通过栅极将电子从氧化还原源材料注入通道材料。

通过利用电压改变电子流，半导体器件可以像晶体管一样，在导电性更强和绝缘性更强的状态之间切换。

新技术的优势

这项研究的作者、阿贡材料科学家狄龙-方（Dillon Fong）说："新的氧化还原门控策略使我们即使在低电压下也能大量调节电子流，从而提供更高的能效。这还能防止系统受损。我们看到，这些材料可以反复循环使用，性能几乎不会下降。"

该研究的共同通讯作者之一、阿贡材料科学家陈伟（Wei Chen）说："控制材料的电子特性，对于寻求超越传统设备的新兴特性的科学家来说，也具有重大优势。研究人员希望制造出与人脑类似的电路，而人脑的运行能效也很高，亚伏特机制正是这种材料的工作原理，这对研究人员来说意义重大。"

对未来技术的影响

该研究的另一位共同通讯作者、阿贡物理学家周华说，氧化还原门控现象还有助于创造新的量子材料，这些材料的相位可在低功率下进行操控。此外，氧化还原门控技术可能会扩展到多功能功能半导体和由可持续元素组成的低维量子材料。

编译自:ScitechDaily