电脑提速100倍武器：新型2D材料 |前沿用户报道

2020-12-11 16:19:27, HORIBA HORIBA科学仪器事业部

快节奏的都市生活，让电子程序启动的每分每秒都变得煎熬；

若是电子设备运行速度能加快100倍，那是怎样的一种体验？

电脑提速100倍看似困难，却并非无法实现。德克萨斯理工大学电气与计算机工程学院的副教授何瑞博士（Rui He, Ph.D.）正在从事相关研究，她的最新研究课题——新型二维材料“三碘化铬”，为提高电脑等电子设备的运行速度提供了希望。

图片来源：pixabay

设备提速的核心是什么？

探究电脑提速的方法前，让我们先了解一下电子设备的重要组成元件——微电路。

微电路是一种高度微型化的集成电路，集中了数百万甚至数十亿的电子元件。这些微电路集中在不超过指甲大小的微小硅片基底上，成为电传导和传输的工具的核心。

要想提高电子设备的运行速度，需要提高电流通过微电路的速度。而提高电流速度的关键，就是寻找性能更加优异的微电路基底材料，并探究适合微电路快速运行的环境条件。这也是何瑞博士的工作重点。

“人们一直在努力使电子设备更快，更节能。因此，我们希望通过研究材料的基本特性、了解这些材料发挥优势所需的环境条件，帮助人们设计和制造性能更好的设备。”何瑞博士如是说道。

何瑞博士

德克萨斯理工大学

电气与计算机工程学院

有望提速100倍的新材料

不同于常见的硅片等微电路基底材料，2D层状材料的原子在层内紧密结合，而各层之间的相互作用反而弱得多。因此，通过控制二维材料的层数，可以调整其光学和电子属性。这使得2D材料成为制备电子设备基底的选择。

何瑞博士研究的2D层状材料不仅包括传统的二维材料，如石墨烯和二硫化钼，也包括新型2D材料“三碘化铬”。

何瑞博士谈及此项研究时颇为高兴，“2D材料三碘化铬是一种高磁导率的铁磁材料，我们主要研究它的磁激发特性。在研究过程中，我们发现了太赫兹频率的自旋波，它的频率比传统铁磁材料高得多，这将为制造超快自旋电子器件开辟新机会。”

“不仅是制备超快自旋电子器件，我们知道电脑使用的是千兆赫处理器，如果能将新型2D铁磁材料应用到处理器上，可能会使电脑运行速度提高100倍甚至更多。”

Tips:

太赫兹频率的自旋波：频率在0.1~10 THz的电磁波，波段能够覆盖半导体、等离子体，有机体和生物大分子等物质，具有重要应用价值。

自旋电子器件：一种利用自旋相关效应的新器件，具有非挥发、低功耗、高速和高集成度的优点。

这项新型2D磁性材料研究由何瑞博士与密歇根大学Liuyan Zhao博士，以及加拿大滑铁卢大学的Adam Tsen博士合作完成，并发表在Nature Communications。

零下228℃下的优异性质

提升设备速度的新型材料已经找到，但如何发挥其物理特性还是个难点。

何瑞博士的一项重要研究便是探寻三碘化铬材料在零下263.15℃（接近绝对零度）条件下的物理特性，包括磁性、晶格振动以及电子迁移情况。

为什么要在如此低的温度下探究三碘化铬的物理特性呢？如果这些特性只存在于低温下，是否还有必要进行研究呢？

何瑞博士表示，材料的物理性质可能会随着温度的变化而发生显著变化。例如，有些材料处于零磁场，但如果周围温度足够低也能表现出磁性，三碘化铬就是典型例子，它在低于约45开尔文（-228.15℃）的温度下就具有磁性。因此，为了探索这些材料发挥物理性质的条件，我们需要将样品冷却到低温。

现在的研究只是开端，这些特性可能当前只存在于低温环境下，但随着制备技术和材料基础研究的快速发展，我们有望找到在较高温度下也能表现出所需电磁性质的新型2D材料。

材料表征技术——拉曼光谱

为了表征超低温下2D材料的物理特性，何瑞博士使用 HORIBA LabRAM HR Evolution 显微共焦拉曼光谱仪进行研究。

“HORIBA 超低温样品台及超低波数附件可以检测低至5cm^-1的拉曼信号，这为我们研究材料的各种特性，包括层间相互作用及电子和磁激发特性等提供了很大便利。HR Evolution的2D和3D共焦成像功能对于研究也十分有利。“

HORIBA LabRAM HR Evolution拉曼光谱仪

虽然这些新型材料可能需要很久的时间，才能投入实际应用，但科学家们对这一材料的基础研究为后期的实际工业应用奠定了良好基础，我们有望利用这些特性生产性能更好的设备。届时，电脑运行速度提升100倍甚至更多将不再是梦。

注：如果您对本报道的研究方法感兴趣，希望联系作者，或者想对本研究拉曼光谱测试方法一探究竟，欢迎点击“阅读原文”留言，我们的拉曼应用专家将乐于为您提供解答服务。

今日话题

2D材料是近年来的研究重点，也是热门应用领域。除了三碘化铬外，还有不少理化性质优异的材料，如果您正在从事相关研究，欢迎大家留言与大家分享。

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