制造出极其微小的开关的能力改变了世界。这些微小的开关，被称为晶体管，构成了所有现代计算机的基础——它们驱动着你的手机、银行交易、电视以及更多。

芝加哥大学和阿贡国家实验室的一组科学家创造了一种与现有设计截然不同的超薄晶体管。与传统版本中使用较大的三维半导体层不同，这种新型晶体管由一层原子级薄的半导体层组成，顶部覆盖一层分子晶体。

由芝加哥大学博士后兼该研究第一作者高梦宇主持的小组讨论中，分子晶体管。图：芝加哥大学

它采用了与传统晶体管根本不同的原理，采用了一种称为电荷定位的现象，此前只有在低温冷却到极低温的材料中才实现过。然而，团队的新晶体管可以在室温下运行。

它们的整个系统只有四个原子厚，科学家们测量其性能可与非常优秀的传统晶体管媲美。

一种仅有四个原子厚的新材料，可以制成高性能晶体管。上图是设备在电测量下阵列的光学图像。图：芝加哥大学

芝加哥大学博士后、该研究第一作者高孟圭（Mengyu Gao）于10月发表在《科学》杂志上的论文指出：“这种晶体管的行为与传统晶体管截然不同，并带来了许多传统晶体管所不具备的有趣特性。”

研究人员希望这些发现能为技术开辟新途径，包括微电子学和计算领域，同时推动自然法则的基础性发现。

自20世纪50年代以来，驱动我们现代生活的晶体管都是用硅制造的——这也是“硅谷”这个词的由来。

这些系统带我们走了很远，但随着我们试图将更多晶体管压缩到更小的空间，工程师们越来越需要将三维器件转化为二维器件。在硅上实现这一点带来了挑战，因此科学家们一直在探索替代方案。

芝加哥大学朴智雄教授的实验室专注于极薄层材料，这些材料能展现出特殊性质。近年来，朴智雄实验室开发了新技术，制造出极为纯净且规律的晶体分子薄膜，这些分子膜厚度仅为一个原子。

在这种情况下，他们在一层三原子厚的半导体层上铺设了一层原子厚的分子层，称为二亚胺。当高氏测试这种混合双层薄膜的导电性时，发现了一个奇特现象。

材料导电非常好，并且随着他加入更多电子，导电效果持续——直到某个临界点。此时，材料成为绝缘体，停止电流流动。

“我立刻看到这个凹陷，知道我们发现了有趣的东西，”高说。“但当我们试图挖掘解释所见时，开始意识到这是以前没人见过的东西。”

当科学家们测试其作为晶体管的性能时，发现其表现极佳——几乎与当今高性能硅晶体管相当。

传统晶体管理论无法解释这种奇怪的行为。但经过大量细致努力，团队开发了一个新的模型来描述发生的事情。

电子通常在半导体中快速移动，携带驱动晶体管的电流。在典型晶体管中，电流由电压闸极控制，电压闸极类似于水坝中的闸极，控制水位。降低栅极会关闭晶体管，而提高栅极电压则使晶体管导通。这些“开”和“关”状态，译为1和0，构成了二进制计算机语言的基础。

在新材料中，电子同样自由运动，当栅极升高时携带更多电流——直到电压达到一定水平。此时，铀分子层中的电子与栅极中的正电成对并稳定下来，从而中断电流的平滑流动。此时晶体管完全关闭，尽管它仍然充满电子。

这是一种称为电荷定位的现象。

“令人惊讶的是，一旦任何电子能够进入分子层，它们都会进入，”Park说。

这一发现具有多重意义。

普通硅晶体管需要结合多层不同的半导体层，这些层被喷洒了不同类型的原子，称为n型和p型层。但这台新设备不需要这些。

此外，整体所需电压更低。节能在耗能高的行业中总是有用的，这也可能意味着减少冷却工程需求，而冷却是现代电子领域，尤其是在人工智能时代的一个主要挑战。

这种新型晶体管还展现出一种全新的行为，这种材料可以可靠地制造和大规模集成——科学家们一直在寻找能够解锁技术新能力的各种基本性质。

最后，但非常重要的是，所有这些都可以在室温下进行。这在设计实际应用时很有帮助，但科学家们还看到了另一个优点。

“我们见过其他系统也表现出这种电荷定位现象，但它们都必须通过低温冷却才能观察到这种效应，”高说道。

因此，新系统是研究电荷定位的一种更便捷的方式，这也是物理学基础问题中关注的一个特征。

团队已经在探索不同的配置，以调整材料的特性。例如，他们希望制造所谓的电子晶体，而迄今为止只有在非常特殊的条件下才实现。

“从中你可以看到，分子可以用来设计出令人惊叹的新型电子材料，”朴说。“我们认为这真的能开辟新的视野。”

勇编撰自论文"离子耦合双层晶体管中的室温电荷定位".科学.2025相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。