编译 | 高歌
编辑 | 云鹏
智东西3月15日，近期，我国西北工业大学、国家纳米科学中央等机构的科研职员研发出一种基于金属纳米粒子晶体管与逻辑电路的新设计方案，在器件构造上有所创新。该设计方案在优化了金属纳米粒子器件性能的同时，还使器件可以抵抗高电压静电损伤。
这种晶体管采取全金属纳米粒子制成，首次可以掌握金属纳米粒子晶体管的电流大小，实现一位二进制数的加法运算。该晶体管由于采取金属纳米粒子，可以承受湿润等恶劣环境，也可以承受波折与变形，其论文登上了顶级学术期刊《自然·电子》。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-020-00527-z
一、金属纳米粒子器件难以调节电导率
晶体管是一种可以放大、传导、切换电子旗子暗记或电流的器件，是电子设备的关键组件，常日利用无机或有机半导体材料制造。
金属常日不适宜作为晶体管质料，由于它们会屏蔽电场，使得研究职员很难对电导率、电流大小进行调节。
过去的研究表明，基于金属纳米粒子的逻辑电路运行速率要比硅基器件慢得多，但金属纳米粒子器件也有很多优点。
例如，与半导体器件比较，它们可以在湿润的环境中运行，可波折、变形，也可以承受静电放电。在半导体器件发展靠近瓶颈的本日，这种非硅器件或许是未来电子器件的一种发展方向。
此前，韩国蔚山科技大学的Bartosz A. Grzybowski及其团队创造利用有机功能化的纳米金属粒子，可以制得大略的电回路。在这种电回路中，电流利过纳米粒子周围被困住的离子浓度梯度来掌握。
这种方法常常被用来制造电阻器、二极管和传感器等电子器件，但是这些电子器件仍旧存在难以调节电导率、改变电流的问题。
论文链接：https://www.nature.com/articles/nnano.2016.39
而本次西北工业大学李铁虎教授及其团队的研究却办理了这一问题，实现了技能上的打破。
二、研究团队采取五电极构造，完成半加逻辑运行
西北工业大学、国家纳米科学中央和韩国蔚山科技大学的科研职员为了难以调度电导率的问题，采取碳材料作为电极实现了显著的电荷浓度梯度分布。
通过对器件构造的进一步优化，研究团队设计并构筑了一种五电极构造的金属纳米粒子晶体管。
金属纳米粒子晶体管示意图与实验图像（来源：《自然·电子》）
个中三个门电极高度对称，不仅可以降落泄电流，而且能使门电压有效地调控源泄电极之间的输出，达到了调节电导率的效果。
末了，他们通过将电极沉积在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上，完成了器件研发。
在实现电导率可控的同时，该晶体管通过构筑逻辑器件，完成了与门、或门、与非门、或非门等基本逻辑的运行，实现了全金属纳米粒子半加器的逻辑输出。
逻辑门与半加器电路（来源：《自然·电子》）
三、金属纳米粒子器件开关比达400，仍有进步空间
在实验评估中，金属纳米粒子器件的表现非常出色，实现了在静电放电和波折条件下的运行，其观点验证器件的开关比（电流调节能力）达到400旁边。
金属纳米粒子晶体管在波折和静电放电环境中的性能（来源：《自然·电子》）
不过，他们暂时只建造了晶体管的观点验证器件来评估其优点，论文中提到，这项研究仍有两点毛病还须要连续研究改进。
第一，只管根据晶体管构造推测，研究职员可以得到与论文中类似的结论。但想要使晶体管小型化，表示实际利用中的性能，还须要更加专业的制造设备，这超出了该研究团队的能力范围。
第二，该论文已经证明，对付全金属纳米粒子晶体管，当反离子梯度形成的间隔约为1微米时，开关韶光可以做到毫秒级别。
不过，如果该器件利用更小的纳米粒子，通过增加反离子浓度，该当可以使离子梯度更陡，从而进一步提高晶体管开关比。
论文结论部分称，非常期待这两点毛病的改进。
结语：金属纳米粒子或可以替代部分半导体器件
半导体器件是当代科技中的根本与关键，随着电子器件尺寸的缩小和集成程度的提升，摩尔定律开始难以维系。为了制备功能更强大的的电子器件，一系列非硅材料陆续进入人们视野。
纳米粒子由于尺寸较小，具有其同种较大尺寸材料缺少的精良性能。而金属纳米粒子的光学和催化性能在等离子体和能量转换方面表现精良，未来可能会成为一种主流非硅电子器件材料。
来源：Tech Xplore、《自然·电子》
