隨著為我們的電子設備提供動力的積體電路功能越來越強大，它們的體積也越來越小。近年來，隨著科學家試圖在晶片上安裝越來越多的半導體元件，微電子學的趨勢也正在加速發展。阿貢研究人員開創了”氧化還原門控”–一種精確調節電子流的新方法。這項突破有助於開發新型低功耗半導體或量子設備。

載子操縱和電子狀態電場控制的氧化還原門控圖解。綠色線代表氧化還原門控的功能分子，其在低功率下工作的能力模仿了人腦中的突觸開關，正如底層突觸所代表的那樣。資料來源：阿貢國家實驗室

微電子因其體積小而面臨一個關鍵挑戰。為避免過熱，微電子的耗電量必須僅為傳統電子產品的一小部分，同時仍能以最高性能運作。

美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室的研究人員取得了突破性進展，使一種新型微電子材料能夠做到這一點。在發表於《先進材料》（Advanced Materials）的一項新研究中，阿貢團隊提出了一種新型”氧化還原門控”技術，可以控制電子在半導體材料中的進出。

阿貢材料科學家陳偉介紹說：「研究人員希望製造出與人腦類似的電路，而人腦的運作也具有極高的能效，亞伏特機制正是這種材料的運作機制，這對研究人員來說意義重大”。

“氧化還原”是指導致電子轉移的化學反應。微電子元件通常依賴電”場效應”來控制電子的流動。在實驗中，科學家設計了一種裝置，透過在一種充當電子門的材料上施加電壓–本質上是一種推動電流的壓力–來調節電子從一端流向另一端。當電壓達到某個閾值（大約半伏特）時，這種材料就會開始透過閘極將電子從氧化還原源材料注入通道材料。

透過利用電壓改變電子流，半導體裝置可以像電晶體一樣，在導電性更強和絕緣性更強的狀態之間切換。

新技術的優勢

這項研究的作者、阿貢材料科學家狄龍-方（Dillon Fong）說：「新的氧化還原門控策略使我們即使在低電壓下也能大量調節電子流，從而提供更高的能效。這還能防止系統受損。我們看到，這些材料可以反覆循環使用，性能幾乎不會下降。”

研究的共同通訊作者之一、阿貢材料科學家陳偉（Wei Chen）說：”控製材料的電子特性，對於尋求超越傳統設備的新興特性的科學家來說，也具有重大優勢。研究人員希望製造出與人腦類似的電路，而人腦的運作能效也很高，亞伏特機制正是這種材料的工作原理，這對研究人員來說意義重大。”

對未來科技的影響

研究的另一位共同通訊作者、阿貢物理學家週華說，氧化還原閘控現像也有助於創造新的量子材料，這些材料的相位可在低功率下進行操控。此外，氧化還原閘控技術可能會擴展到多功能功能半導體和由永續元素組成的低維量子材料。

編譯自: ScitechDaily