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| 本文作者：恒亮 | 2016-11-10 18:58 |
众所周知，半导体材料能够在一定的电气条件下实现导通和绝缘状态的灵活转换。凭借这项独有的“技能”，以半导体二极管为基础单元的大规模集成电路、超大规模集成电路在近代成为了推动人类文明不断向前发展的源动力。
然而事无绝对，半导体材料在具备诸多优点的同时，也有一些缺陷。其中最关键的一点就是：由于半导体与生俱来的绝缘属性，在其内部存在的“能带隙”（Band Gap ）本身会在一定程度上阻碍电子的定向运动。同时，电子在运动时无法避免的会与材料中的原子发生碰撞，这也会损失相当一部分的导电性。
基于这一点，近日来自美国加州大学的科学家们从 1906 年发明的真空二极管中汲取灵感，发明了一种让电子在真空/空气中定向运动的技术，未来或对半导体行业产生颠覆性的影响。
要实现电子在真空/空气中的自由运动，首先就要把电子从原材料中释放出来。传统情况下，要将电子从材料中释放出来，需要施加至少 100V 以上的高压电，或者在摄氏 500 度以上高温条件下利用化学反应催化，将电子强行从材料中“拽”出来，不但过程难以控制，而且费时费力。
美国加州大学的科学家们另辟蹊径，利用金属纳米管材料（这里使用的是黄金）制成了一种谐振表面，这种材料的微结构如下图所示。
每一个形似小蘑菇的微单元都由三层材料组成，最下层的是硅基板，第二层是二氧化硅隔离层，再往上是金属纳米管。之所以特意排列成这种特殊的形状（蘑菇型，还一排一排的），目的就是避免大功率的消耗或者高温高压，只需要在 10V 以下的低压直流条件下，向谐振表面照射一定频率的低功率红外激光，就能触发金属谐振，轻易地将电子释放出来。
待电子被释放到真空/空气中之后，在图中 Flat port 和 Suspended port 极板之间施以大小不同的电压（或者利用磁场的电磁感应原理），就能操控电子在真空/空气中产生定向移动。
测试结果表明，这种结构使得电路中的导电率提升了 10 倍，加州大学的科学家表示：“这足以实现开关状态，即作为光学电闸替代一部分传统的半导体二极管。”
当然，目前这一研究尚处初级阶段，距离真正的实用化和商业化还为时尚早。但这种利用谐振来激发电子，并控制其在真空/空气中运动来减小阻力的方式，无疑为半导体行业未来的发展提供了一个非常具有价值的研究方向。
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