作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 图的简化版本
一个
(一)来自研究人员的论文
描述:当电场(⃗)入射到具有不同介电常数(κ_1和κ_2)的两种材料(蓝色和绿色区域)之间的界面(黑线)上时，在该界面上形成表面束缚电荷(σ_b)
信用:Prentki等人
近年来，物理学家和电子工程师一直在努力寻找可以用来制造新型电子器件的材料
已经发现一维(一维)和二维(二维)材料具有特别有利的特性，特别是对于新一代纳米电子学(纳米尺度的电子元件)的发展
石墨烯、单层二硫化钼、硅纳米线和硅纳米片等一维和二维材料也可以在半导体行业发挥重要作用，因为它们有助于开发越来越小的晶体管
晶体管是许多现代电子设备的基本构件，它们可以存储和控制二进制信息(即
e
，0和1)
尽管新兴的低维材料有很多优点，但与三维材料相比，它们的所谓自由电荷相对较少
在电子元件的上下文中，自由电荷是电子或空穴(即
e
原子晶格中缺少一个作为带正电的电子的电子),该电子没有紧紧地束缚在原子晶格上，因此能够响应于外部场和施加的电压在整个材料中自由移动
免费有许多重要的功能，其中之一是他们的贡献被称为筛选效应
事实上，自由电荷可以自我重新分布，在材料和器件(包括晶体管)中产生尖锐的电势分布
因此，物质拥有的自由电荷越多，产生的电势就越大
这一特殊功能对于隧道场效应晶体管的发展尤为关键，因为它严重依赖于电子穿过结的量子隧道效应
麦吉尔大学和纳米学术技术的研究人员最近发现了一种策略，可以弥补一维和二维材料中观察到的免费电荷的不足
在他们发表在《物理评论快报》上的论文中，他们提出使用这种基于束缚电荷工程的策略来开发硅纳米线晶体管
普伦特基在他的工作中模拟的一条硅纳米线的图像
每个球体代表一个硅原子，每个条代表两个相邻硅原子之间的原子键
信用:Prentki等人
开展这项研究的研究人员之一拉斐尔·普伦特基告诉《物理》杂志说:“隧道场效应晶体管的功耗比传统晶体管低得多，因此它是低功耗电子产品的一个有前途的候选产品。”
（同organic）有机
“对于在隧道结处具有更大电势的隧道场效应晶体管，结变得更容易通过，从而提高了器件性能
因此，我们的目标是找到一种方法来补偿低维材料中自由电荷的缺乏
" 材料中有两种类型的电荷，即自由电荷和束缚电荷
顾名思义，自由电荷松散地束缚在原子核上，可以自由移动，这使得它们很容易用电场和电压来操纵
相反，束缚电荷紧紧束缚在原子核上，只能在原子内部移动
虽然这些电荷在数百年前就已被确认，但在设计晶体管或其他电子器件时，一般不会考虑或应用它们
在他们的研究中，普伦特基和他的同事设计了一种方法，以一种有利的方式在电子设备中设计束缚电荷
他们称这种设计策略为“束缚电荷工程”
" “具体来说，使用麦克斯韦方程，可以表明，当电场穿过两种材料之间的界面时，在该界面上形成束缚电荷，”普伦特基说
此外，束缚电荷的数量与电场的大小以及两种材料的介电常数之差成正比
介电常数是一种材料属性，它量化了材料对外部电场的极化程度
" 普伦特基和他的同事表明，电子器件两个区域之间界面上的表面束缚电荷可以通过调整电场和选择具有合适介电常数的材料来控制
为了制造更好的隧道场效应晶体管，研究人员建议用低介电常数氧化物包围隧道结的一部分，因为这使得束缚电荷的形成成为可能
在他们的论文中，他们考虑了用硅纳米线制造晶体管的策略
普伦特基在他的工作中模拟的一条硅纳米线的图像
每个球体代表一个硅原子，每个条代表两个相邻硅原子之间的原子键
信用:Prentki等人
在现有技术的晶体管设计中，硅纳米线被具有高介电常数的氧化物(例如二氧化铪)包围，这使得能够实现高栅极电容
另一方面，普伦特基和他的同事提出了用二氧化硅包围靠近隧道结的纳米线区域的想法，二氧化硅是一种介电常数仅为3的绝缘体
比空气的介电常数大8倍
“在我们的设计中，纳米线-氧化物界面上的束缚电荷补充了屏蔽效应中的自由电荷，导致更尖锐的隧道结，”普伦特基说
“这使得束缚电荷辅助的隧道场效应晶体管的导通状态电流比非束缚电荷辅助的晶体管高10倍以上，这使得它能够在更高的时钟频率下在计算设备中得到实际应用
" 普伦特基和他的同事表明，束缚电荷工程可以用来控制场效应晶体管两个区域之间的结的耗尽区的大小
这对于场效应晶体管的“源极”和“沟道”或者“沟道”和“漏极”区域相遇的地方尤其如此
换句话说，束缚电荷可以用来支持自由电荷，使晶体管具有更强的屏蔽效应
“我们的工作引入了一种通用的方法，在材料和器件上设计出对我们有利的束缚电荷，”普伦特基说
“这在出现一维和二维材料时特别有用
例如，束缚电荷工程在硅纳米线隧道场效应晶体管中提供了显著的性能提升
" 在他们最近的论文中，研究人员证明了他们控制耗尽区大小的策略可以用来改善一种特定类型的低功率场效应晶体管的性能，即隧道场效应晶体管
在接下来的研究中，他们将通过实验测试他们策略的可行性，用它来实现一个真正的隧道场效应晶体管
普伦特基在他的工作中模拟的一条硅纳米线的图像
每个球体代表一个硅原子，每个条代表两个相邻硅原子之间的原子键
信用:Prentki等人
“我们的调查完全是基于模拟的，”普伦特基解释道
“尽管我们使用了最先进的模拟方法，但只有这种装置的真实可靠的实现才能毫无疑问地证明束缚电荷工程的概念确实有效
" 除了证明束缚电荷工程利用纳米线制造性能更好的隧道场效应晶体管的可行性，研究人员现在还想将他们的策略应用到纳米电子学的其他领域
例如，他们想测试它对缩小特定类型晶体管的有效性
“束缚电荷工程是由电磁学基本定律建立的一个非常普遍的概念，”普伦特基补充道
因此，原则上，它并不局限于纳米电子学和晶体管设计领域的应用
因此，我们也希望将这一概念应用到其他研究领域，如分子电子学、电化学和人工光合作用，其中结合电荷和筛选可能很重要
"
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