智东西（公众号：zhidxcom）
编译 | 高歌
编辑 | 云鹏
智东西3月15日消息，近期，我国西北工业大学、国家纳米科学中心等机构的科研人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，在器件结构上有所创新。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。
这种晶体管采用全金属纳米粒子制成，首次可以控制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。该晶体管由于采用金属纳米粒子，可以承受潮湿等恶劣环境，也可以承受弯曲与变形，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、切换电子信号或电流的器件，是电子设备的关键组件，通常使用无机或有机半导体材料制造。
金属通常不适合作为晶体管原料，因为它们会屏蔽电场，使得研究人员很难对电导率、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度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，与半导体器件相比，它们可以在潮湿的环境中运行，可弯曲、变形，也可以承受静电放电。在半导体器件发展接近瓶颈的今天，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及其团队发现使用有机功能化的纳米金属粒子，可以制得简单的电回路。在这种电回路中，电流通过纳米粒子周围被困住的离子浓度梯度来控制。
这种方法经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然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解决了这一问题，实现了技术上的突破。
二、研究团队采用五电极结构，完成半加逻辑运行
西北工业大学、国家纳米科学中心和韩国蔚山科技大学的科研人员为了难以调整电导率的问题，采用碳材料作为电极实现了显著的电荷浓度梯度分布。
通过对器件结构的进一步优化，研究团队设计并构筑了一种五电极结构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》）
其中三个门电极高度对称，不仅可以降低漏电流，而且能使门电压有效地调控源漏电极之间的输出，达到了调节电导率的效果。
最后，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弯曲条件下的运行，其概念验证器件的开关比（电流调节能力）达到400左右。
▲金属纳米粒子晶体管在弯曲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概念验证器件来评估其优点，论文中提到，这项研究仍有两点缺陷还需要继续研究改进。
第一，尽管根据晶体管结构推测，研究人员可以得到与论文中类似的结论。但想要使晶体管小型化，体现实际使用中的性能，还需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，对于全金属纳米粒子晶体管，当反离子梯度形成的距离约为1微米时，开关时间可以做到毫秒级别。
不过，如果该器件使用更小的纳米粒子，通过增加反离子浓度，应该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，非常期待这两点缺陷的改进。
结语：金属纳米粒子或可以替代部分半导体器件
半导体器件是现代科技中的基础与关键，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乏的优异性能。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优异，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》
