眾所周知，半導(dǎo)體材料能夠在一定的電氣條件下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和絕緣狀態(tài)的靈活轉(zhuǎn)換。憑借這項(xiàng)獨(dú)有的“技能”，以半導(dǎo)體二極管為基礎(chǔ)單元的大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路在近代成為了推動(dòng)人類文明不斷向前發(fā)展的源動(dòng)力。

然而事無(wú)絕對(duì)，半導(dǎo)體材料在具備諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也有一些缺陷。其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是：由于半導(dǎo)體與生俱來(lái)的絕緣屬性，在其內(nèi)部存在的“能帶隙”（Band Gap ）本身會(huì)在一定程度上阻礙電子的定向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)法避免的會(huì)與材料中的原子發(fā)生碰撞，這也會(huì)損失相當(dāng)一部分的導(dǎo)電性。

基于這一點(diǎn)，近日來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)的科學(xué)家們從 1906 年發(fā)明的真空二極管中汲取靈感，發(fā)明了一種讓電子在真空/空氣中定向運(yùn)動(dòng)的技術(shù)，未來(lái)或?qū)Π雽?dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生顛覆性的影響。

要實(shí)現(xiàn)電子在真空/空氣中的自由運(yùn)動(dòng)，首先就要把電子從原材料中釋放出來(lái)。傳統(tǒng)情況下，要將電子從材料中釋放出來(lái)，需要施加至少 100V 以上的高壓電，或者在攝氏 500 度以上高溫條件下利用化學(xué)反應(yīng)催化，將電子強(qiáng)行從材料中“拽”出來(lái)，不但過(guò)程難以控制，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

美國(guó)加州大學(xué)的科學(xué)家們另辟蹊徑，利用金屬納米管材料（這里使用的是黃金）制成了一種諧振表面，這種材料的微結(jié)構(gòu)如下圖所示。

每一個(gè)形似小蘑菇的微單元都由三層材料組成，最下層的是硅基板，第二層是二氧化硅隔離層，再往上是金屬納米管。之所以特意排列成這種特殊的形狀（蘑菇型，還一排一排的），目的就是避免大功率的消耗或者高溫高壓，只需要在 10V 以下的低壓直流條件下，向諧振表面照射一定頻率的低功率紅外激光，就能觸發(fā)金屬諧振，輕易地將電子釋放出來(lái)。

待電子被釋放到真空/空氣中之后，在圖中 Flat port 和 Suspended port 極板之間施以大小不同的電壓（或者利用磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)原理），就能操控電子在真空/空氣中產(chǎn)生定向移動(dòng)。

測(cè)試結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)使得電路中的導(dǎo)電率提升了 10 倍，加州大學(xué)的科學(xué)家表示：“這足以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即作為光學(xué)電閘替代一部分傳統(tǒng)的半導(dǎo)體二極管。”

當(dāng)然，目前這一研究尚處初級(jí)階段，距離真正的實(shí)用化和商業(yè)化還為時(shí)尚早。但這種利用諧振來(lái)激發(fā)電子，并控制其在真空/空氣中運(yùn)動(dòng)來(lái)減小阻力的方式，無(wú)疑為半導(dǎo)體行業(yè)未來(lái)的發(fā)展提供了一個(gè)非常具有價(jià)值的研究方向。

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