科学家们采用了数字设备的一个常见组件，赋予了它们以前观察不到的功能，为新一代硅基电子设备打开了大门。

虽然电脑和手机中的数字电路越来越小，处理器越来越快，但极限已经逼近，世界各地的科学家都在试图拓展或超越今天的技术，即互补金属氧化物半导体或CMOS技术。

在2019年7月发表在《物理评论快报》上的一篇研究文章中，科学家解释了他们如何创造出一种金属氧化物——“CMOS”中的“Mo”——具有另一种重要功能。新的金属氧化物不是简单地用作CMOS晶体管中开关的无源元件，而是自动激活电流。这一发现可能有一天有助于推动计算进入一个通常称为“超越CMOS”的时代。

这种材料在附近的纯“未掺杂”硅中产生电流，硅是电子工业中的主要半导体。硅的导电性出现在厚度只有9个原子层的非常薄的区域中。你需要堆叠10万个这样的层，相当于人类头发的宽度。

这种在硅中感应电流的能力标志着以前被认为价值有限的材料向前迈出了重要的一步；它很好地完成了绝缘体的开关功能，却没有考虑到所有晶体管所依赖的关键电流产生能力。

“氧化物长期以来只被用作半导体设备中的被动元素，但它也可以成为主动元素，这是一个新的有趣的事实，”作者之一、能源部太平洋分部的科学家斯科特钱伯斯说。西北国家实验室(PNNL)。

半导体测量不一致

出乎意料的是，在PNNL，在德克萨斯大学(UT)-阿灵顿等地完成这项工作的科学家们花了几个月的时间试图了解他们可能犯了什么错误，然后通过一系列测试证实了他们意想不到的结果是合理的。

对称为异质结的复杂半导体结构的几次测量证明了科学家的精通：称为钛酸锶的金属氧化物和硅之间的界限很清楚。通过原子行的原子行，UT-Arlington通过一种叫做分子束外延的工艺制备的异质结看起来几乎完美。

除了一些令人惊讶的谱线，用X射线光检测样品的结果。光谱显示了一个近乎完美的结构的意想不到的特征。

PNNL的团队反复检查了X射线测量结果。也许其中一种成分被污染了。可能有人在氧化膜生长过程中没有把氧气阀门开得足够大。也许仪器工作不正常。可能他们创造的材料和他们想要的材料不一样。

但是所有东西都检查过了。

钱伯斯说：“我们掌握的数据相互矛盾，看起来很奇怪。”“通过大多数措施，我们已经创造了一个近乎完美的材料，但另一个重要的措施似乎表明，我们的材料是一塌糊涂。”

当时，钱伯斯决定认真研究另一种可能性——所有的测量都是精确的，晶体管、计算机芯片和其他各种类型的数字设备的核心结构都没有缺陷。相反，会不会有一些以前不知道的东西可以解释神秘的测量？

确实有。

通过对X射线光谱的研究，钱伯斯意识到，这一结果可以用电子流通过硅和钛酸锶之间的接缝产生的意外电场的存在来解释。

任性的氧原子

已经证明，钛酸锶中极少量的氧原子进入了硅中。研究小组偶然掺杂了氧和硅，导致电子从硅转移到钛酸锶，在硅的最上面的原子平面产生了“空穴”(缺失电子)的电流。

这不是一个容易解决的问题。因此，团队必须开发一种新的方法来理解其测量结果。高能电子衍射、X射线晶体学和高分辨率透射电子显微镜的输入都表明该材料接近完美，但X射线光电子能谱(XPS)的测量似乎表明并非如此。

XPS的工作原理是用高能光(这里是X射线)照射材料，然后测量会发生什么，这是通过发射电子的能量和强度来判断的。

科学家可以通过用X射线撞击样品学到很多东西。想想当摇滚乐队开始演奏时，拥挤的酒馆会发生什么。有的顾客会拍手，有的会走向出口，有的人可能会拿起乐器加入进来。对于科学家来说，用X射线照射样品，分析的电子对于理解原子的存在，什么化学物质是重要的，它们的成键环境以及材料中的整体能量模式都很重要。然而，从原始数据中挖掘能量模式是一个重大挑战。

钱伯斯发展了一套假设和概念方法来解释XPS结果，即材料中存在很大的电场。然后他向PNNL的同事彼得苏什科求助，他是复杂固体材料的建模专家，编写计算机代码来求解与概念相关的方程，并确定电场的特征。

Sushko开发了一种算法，可以将数百万个可能的电场值分配给不同的原子层，并模拟每个组产生的光谱。一个具体的组合完全符合团队的实验谱：团队已经证明了奇怪的XPS数据与电场的存在和强度是一致的，电场会导致硅中的空穴电流，就像钱伯斯怀疑的那样。

“我们发现，使用这种新算法来正确解释我们的XPS产生的能量景观正是产生我们观察到的电导率所需要的，”钱伯斯说。

“彼得的计算机代码让我们找到了解决我们所有数据的独特电场值集 - 真正成为大海捞针。这样的实验中的关键数据可以在几个小时内收集，但需要一年时间思考和分析来解释它们，“他补充道。

Chambers和UT-Arlington的通讯作者Joseph H. Ngai使用完全独立的方法证实了这些结果。

Chambers和Ngai不希望这一发现立即彻底改变半导体工业或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的制造。但是这种基础科学在“超越CMOS”世界中打开了一扇新的大门，团队为了解结果而创建的算法为科学家提供了一种探测各种层状结构的新工具，而不仅仅是硅上氧化物的结构。