科学家首次破解微芯片内部隐藏原子排列之谜

借助先进显微技术与人工智能，科学家成功揭示了会改变半导体导电特性的短程原子有序结构。

在驱动各类电子设备的微芯片内部，原子并非无序分布，而是遵循一种能改变半导体行为模式的隐藏规律。

由劳伦斯伯克利国家实验室与乔治华盛顿大学组成的研究团队，首次在半导体中直接观测到被称为“短程有序”的微观结构。

这项突破性发现将重塑行业规则。理解原子的自然排列方式后，研究人员可设计具有理想电子特性的材料，从而为量子计算、类脑神经形态器件及先进光学探测器带来革命性进展。

“这是首次通过实验直观呈现短程有序域的独立结构。”研究团队成员、加州大学伯克利分校教授安德鲁·迈纳强调。

破解原子排列密码

此前，掺入半导体的微量原子（如锡、硅等）排列方式始终成谜。因含量过低无法形成长程有序结构，科学家难以判断其属于随机分布还是有序排列。

传统显微技术亦受限于分辨精度。迈纳指出：“这种局部有序性改变的是微电子领域最关键的特性 —— 带隙，它直接控制材料的电子行为。”

研究团队通过融合先进显微技术与机器学习破解难题。他们首先采用四维扫描透射电子显微镜观察含微量锡和硅的锗样品。

由于锡和硅的微弱信号被锗的强信号淹没，初始图像杂乱无章。研究人员通过加装能量过滤装置增强对比度，首次使细微的原子重复图案清晰显现。

随后利用预训练神经网络识别出六种重复出现的结构基元，但其具体原子构型仍不明确。此时乔治华盛顿大学团队开发出可模拟数百万原子的机器学习模型，通过虚拟4D-STEM测试不同排列方案，最终使模拟数据与实验观测完美匹配。这种高分辨成像、能量过滤与AI建模的无缝结合，终使半导体中的隐藏原子秩序浮出水面。

乔治华盛顿大学教授、共同首席研究员李天水评价：“理论与实验的完美协同首次揭开了短程有序结构基元的奥秘。”

引领变革的发现

该成果将彻底改变半导体设计范式。通过原子尺度的短程有序调控，研究人员可精准定制带隙等关键电子参数，为更快量子计算机、仿脑设备与先进光学传感器铺平道路。

这也标志着人类在理解微观复杂材料领域迈出关键一步。论文第一作者、加州大学伯克利分校博士后研究员莉莲·沃格表示：“我们正在开启原子尺度信息技术的新纪元。”

目前研究仍存在局限：室温下原子热运动或晶体缺陷会干扰信号，结构基元与材料性能的映射关系也尚在构建中。未来研究将聚焦于原子排列的主动调控，以推动新型器件设计。

该项突破性研究成果已发表于《科学》期刊。

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