突破性發現：新一代半導體為何不會自我崩解？

一種能將資訊儲存在電場中的新型半導體材料，有望實現低功耗電腦、量子級精準感測器，以及電、光、聲訊號之間的轉換。然而，這種材料如何在同一個晶體中維持兩種相反的電極化狀態，一直是個未解之謎。

密西根大學工程團隊最新研究揭開了這個謎底。這種被稱為「纖鋅礦型鐵電氮化物」的材料，其穩定機制終於獲得解釋。研究共同通訊作者、工程學教授Zetian Mi指出：「這種新材料在記憶體電子、射頻電子、聲電子學、微機電系統和量子光子學等領域具有廣泛應用前景，但其鐵電轉換與電荷補償的基礎機制始終是個謎。」

電極化現象類似磁鐵的南北極，但這種新型半導體能在電場作用下切換極化方向。令人困惑的是，當材料中形成不同極化區域時，為何相同極性的交界處不會因排斥力導致材料破裂？

研究共同通訊作者Danhao Wang博士解釋：「理論上這種極化不連續性是不穩定的。但我們發現這些介面具有前所未有的原子排列方式，更令人振奮的是，這種結構可能適合作為未來電晶體的導電通道。」

透過實驗與理論計算，團隊發現材料在原子尺度確實會斷裂，但這種斷裂反而成為穩定材料的關鍵。在正極交界處，晶體結構會形成懸掛鍵，其中的負電子恰好能平衡半導體中各區域邊緣的多餘正電荷。

理論計算負責人Emmanouil Kioupakis教授表示：「這種電荷抵消並非偶然，而是四面體幾何結構的必然結果。這使其成為所有四面體鐵電材料的通用穩定機制，這類材料在新一代微電子裝置中極具潛力。」

團隊使用釓鎵氮化物進行研究，電子顯微鏡觀察到在區域交界處，原本的六方晶體結構會形成特殊彎曲，產生懸掛鍵。這些懸掛鍵中的電子不僅穩定材料，更形成可調控的超高導電通道，導電能力是普通氮化鎵電晶體的100倍。

研究團隊已著手開發基於此原理的高電流場效應電晶體，這將為高功率和高頻電子裝置帶來突破性進展。

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