MIT研發磁性電晶體 讀取、記憶不分家

美國麻省理工學院（MIT）團隊成功研發全新的磁性電晶體。用它做出的產品不僅有內建記憶體功能，更擁有結構緊湊、性能優異的特性，有望打造更小、更快、更省電的電路。

傳統電晶體以矽元素為主，能像微型電燈開關控制電路，或在通訊系統中放大微弱訊號。不過，受到物理限制，難以在過低的電壓下運行，且體積和能效也無法更進一步突破。

為了克服這一瓶頸，科學家花費數十年時間嘗試利用「電子自旋」（Electron Spin）方式控制磁性電晶體。「電子自旋」就像一個微小的磁鐵，為操控電流提供了新途徑。然而，過去的磁性材料多數缺乏半導體所需的良好電子特性，在性能上存在許多無法克服的缺陷。

美國麻省理工學院與捷克布拉格化工大學（VŠCHT）共同合作，使用兼具穩定磁性與良好電子特性的二維材料「硫溴化鉻」（CrSBr）取代電晶體表層的矽，成功開發出全新的磁性電晶體（Magnetic Transistor）。研究結果已發表於《物理評論通訊》（Physical Review Letters）期刊。

硫溴化鉻製成電晶體不僅克服過去的缺陷，還讓研究人員能夠在兩種磁狀態之間進行穩定的任意切換，大幅提升電流控制的效率。研究人員更發現這些磁狀態會改變材料的電子特性，從而實現電晶體能在低功耗下運作，這可謂一項關鍵性突破。

這款全新磁性電晶體製作過程不難，且整個過程確保表面清潔和無任何汙染風險。硫溴化鉻材料與許多其他二維材料不同，能在不被氧化情況下，在空氣中保持穩定運作。硫溴化鉻製成的磁性電晶體無汙染特性，使其設備性能上要優於傳統磁性電晶體。

矽製電晶。示意圖。（123RF）

突破！電晶體有記憶功能

更令研究團隊振奮的是，傳統的電晶體裝置僅能造成電流百分之幾的變化，但這次新設計裝置的電流切換幅度提升10倍以上。另外，研究人員可以使用電流來控制該種材料的磁力強度，且無需額外磁場就能操控電子產品內的特定電晶體。

這項結果意義重大，因為過去工程師難以將磁場施加到電子設備中的單一電晶體上。而且這種磁性電晶體還具備內建記憶、讀取能力，運作方式與傳統記憶體（RAM）截然不同。傳統記憶體主要由一個磁性單元和一個電晶體組成，前者用於儲存訊息，後者用於讀取資訊。

硫溴化鉻磁性電晶體簡化邏輯或記憶體電路的設計，不僅縮短記憶體讀取和儲存所需時間，也開啟高性能電子產品的新應用。研究人員計畫進一步探索利用電流控制這些電晶體，並開發可擴展的陣列製造方法，以便加速未來的實際應用。

論文共同第一作者、麻省理工學院電氣工程與電腦科學系和物理系研究生周忠濤（音譯，Chung-Tao Chou）說，「人們對磁鐵的認識已有數千年，但將磁性融入電子產品的方法卻相當有限。這次展示一種有效利用磁性的方法，為未來的應用和研究開闢更多可能性。」

劉路橋（音譯，Luqiao Liu）則表示，「在這項工作中，我們結合磁學和半導體物理學來實現有用的自旋電子裝置。現在電晶體不僅能開關，還能記憶資訊。另外，我們能以更大的幅度切換電晶體，使其訊號變得更強，從而更快、更可靠的讀取訊息。」◇