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芯片為什么會在長期使用中悄然“變慢”甚至失效？這一困擾微電子領(lǐng)域多年的問題，如今有了答案。據(jù)最新一期《物理評論B》報道，美國加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校材料系研究團(tuán)隊揭示了一種關(guān)鍵量子機(jī)制，即高能電子如何在芯片內(nèi)部打斷化學(xué)鍵，從而在長期運行中悄然損傷器件性能。這一發(fā)現(xiàn)不僅解釋了一些數(shù)十年來未解的實驗現(xiàn)象，也為設(shè)計更可靠的電子器件提供了新思路。

即便是最先進(jìn)的芯片，也會隨著時間推移逐漸“老化”。其“元兇”之一，就是所謂的“熱載流子退化”。帶電的高能電子會在器件內(nèi)部引發(fā)化學(xué)變化，慢慢侵蝕芯片性能，但這一過程的具體機(jī)制一直不清楚。

此次，研究團(tuán)隊將目光投向晶體管中的硅與氧化層界面。在這里，制造過程中會引入氫原子，對斷裂的硅鍵進(jìn)行“鈍化”，相當(dāng)于給這些“缺口”打上補(bǔ)丁，避免其變成影響性能的電學(xué)缺陷。但在器件工作時，電子持續(xù)流動，會使氫原子脫離。一旦“補(bǔ)丁”脫落，斷裂的硅鍵重新暴露，器件性能也隨之下降。

長期以來，學(xué)界普遍認(rèn)為，這種鍵斷裂是大量電子反復(fù)“撞擊”累積的結(jié)果。但團(tuán)隊通過先進(jìn)量子模擬發(fā)現(xiàn)，單個高能電子就足以觸發(fā)這一過程。他們識別出一個此前隱藏的電子態(tài)，當(dāng)電子短暫“占據(jù)”這一態(tài)時，會削弱硅—氫鍵，并將氫原子從原位“推開”。更重要的是，研究發(fā)現(xiàn)氫原子的脫離遵循量子力學(xué)規(guī)律，而非經(jīng)典力學(xué)。在傳統(tǒng)理解中，只要硅和氫之間距離超過閾值，就意味著鍵斷裂。但在量子世界里，氫更像一團(tuán)彌散的“云”或“波包”，鍵是否斷裂取決于其擴(kuò)散到一定范圍之外的概率。

團(tuán)隊表示，這一量子框架為材料科學(xué)家提供了一種全新的“預(yù)測工具”，可以提前判斷在極端條件下哪些化學(xué)鍵更容易斷裂，有望指導(dǎo)人們設(shè)計出更穩(wěn)定、壽命更長的電子材料與器件。