科学家们采纳了数字设施的一种一同构成部分，赋予它从前未被观看到的能力，为新一代硅基电子设施开启了大门。

尽管计算机和电话中的数字电路变得越来越小，料理器越来越快，可是极限正好挨近，全球的科学家们正好努力扩展或超过当今的技艺，即互补金属氧化物半导体或CMOS技艺。

在2019年7月发表在“ 物理点评快报”上的一篇探讨文章中，科学家们解释了它们是如何缔造出一个金属氧化物 - “CMOS”中的“MO” - 具备此外一项要紧功效。新金属氧化物非是容易地作为CMOS晶体管中的通断开关的没有源元件，却是自动激活电流。这一发觉有一天可能有助于将计算推向一种平常被称为“超过CMOS”的时期。

氧化物资料在周边纯净的“未掺杂” 硅中发生电流，这是电子产业中的最重要的半导体。硅中的导电性产生在仅9个原子层厚的十分薄的地域中。你须要堆叠100,000个这样的层等于人类头发的宽度。

这类在硅中感应电流的能力标记着从前被以为价格局限的资料前进迈出了要紧一步; 它曾经十分好地达成了绝缘子的开关功效，但尚未考量全部晶体管所依赖的要害电流发生能力。

“长久以来仅用作半导体器件中没有源元件的氧化物也可行成为一个活泼素材的实是是新的和有趣的，”斯科特钱伯斯说，他是燃料部(DOE)Pacific的作者之一和科学家。西北实验室(PNNL)。

半导体测量不绝对

结果出乎预想的是，在PNNL，德克萨斯大学(UT) - 阿灵顿和其它位置达成这项事业的科学家花了几个月的时间试图理解它们可能犯了甚么错误，接下来经过一系列的测试确认它们的不测的结果是合乎道理的。

对繁杂半导体构造的几次测量，称为异质结，声明了科学家的精通：被称为钛酸锶的金属氧化物与硅之中的界限是清楚的。经过原子好的原子行，在UT-Arlington经过称为分子束外延的进程制备的异质结看起来差不多是完美的。

除了，关于少许令人惊讶的光谱线，用X射线光探测样品的结果。光谱显现出近乎没有毛病的构造的不测特征。

PNNL的团队审查并从新审查了其X射线测量结果。或许有一个成分被污染了。或许有人在氧化膜生长久间未能将氧气阀开启得充足宽。或许仪器操作不寻常。也许它们缔造的资料不同于它们想要的资料。

但一切都审查出去了。

钱伯斯说：“咱们所具有的数据是矛盾的，看似奇怪。” “经过许多数举措，咱们缔造了一个挨近完美的资料，但另一种要紧的衡量准则仿佛表达咱们的资料是一团糟。”

就在当时，钱伯斯打算认真探讨另一个可能性 - 全部测量皆是明确的，而且晶体管，计算机芯片和其它全部类别的数字设施的分层构造全没有缺陷。相反，能否会有少许从前未知的东西可行解释神秘的测量?

的确，有。

经过对X射线光谱的探讨，钱伯斯意识到结果可行经过电子流穿过硅和钛酸锶之中的接连处发生的不测电场的存留来解释。

任性的氧原子

实是声明，来源钛酸锶的极少量氧原子已映入硅中。该团队没有意中掺杂了氧与硅，导致电子从硅转嫁到钛酸锶，并在硅的最上面的原子平面中发生“空穴”(缺失电子)的电流。

这非是一种简单解决的困难。为这，该团队必需开发一个新方法来理解其测量结果。来源高能电子衍射，X射线晶体学和高分辨率透射电子显微镜的输入都表达资料挨近完美，可是X射线光电子能谱(XPS)的测量仿佛表达非是这样。

XPS经过照射高能光(在这类概况下是X射线)在资料上接下来测量产生的概况来事业，这经过发射的电子的能量和强度来判断。

科学家可行经过用X射线撞击样原本学习好多东西。想想摇滚乐队最初演奏时拥挤的小酒馆会产生甚么。少许顾客会拍手，其它人会前往出口，有些人可能会拿起它们的仪器加入。关于科学家庭用X射线照射样品，剖析出去的电子关于了解原子存留的要紧性，甚么化学物质很要紧他们所处的粘合环境，以及资料中的全体燃料格局。然则，从原始数据中发掘出燃料格局是一项重要挑战。

钱伯斯开发了一套假设和概念方法来解释XPS结果，即资料中存留大电场。接下来他调转方向PNNL同事Peter Sushko，他是繁杂固体资料的行家建模师，编写计算机代码来解决与概念相干的方程并确定电场的特性。

Sushko开发了一个算法，可行为不同的原子层分配数百万个可能的电场值，并模拟每组发生的光谱。一种特定的组合十足适合团队的实验光谱：团队曾经声明奇怪的XPS数据与电场的存留和强度绝对，这将导致硅中的空穴电流，就像钱伯斯所怀疑的那样。

“咱们发觉，运用这类新算法正确解释咱们的XPS所发生的能量景观正是发生咱们观看到的电导率所须要的，”钱伯斯说。

“彼得的计算机代码让咱们寻到理解决咱们全部数据的特异电场值集 - 真实成为大海捞针。这样的实验中的要害数据可行在几个小时内收集，但须要一年时间思考和剖析来解释他们，“他补充道。

Chambers和UT-Arlington的通讯作者Joseph H. Ngai运用十足独立的方法证实了这点结果。

还无MOSFET革命

Chambers和Ngai不期望这一发觉立即彻底改变半导体产业或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的生产。可是这类根基科学在“超过CMOS”全球中开启了一扇新的大门，团队为理解结果而组建的算法为科学家提供了一个探测各式层状构造的新用具，而不但仅是硅上氧化物的构造。