拓扑材料，推动半导体业发展

在物理学中，拓扑学研究的是当系统在压力下变形或弯曲时材料保持不变的特性。它在分析和控制材料的电子特性方面起着关键作用，并且还通过研究量子波函数产生的非动态相影响了光学。拓扑学还在开发光学框架方面发挥着作用，这些框架可以紧密复制固态系统，即拓扑绝缘体，这有可能对半导体的未来产生重大影响。

拓扑绝缘体概述

随着材料科学的进步，人们开发出了新型材料，它们具有与传统材料完全不同的独特量子力学和电学特性。拓扑绝缘体 (TI) 是一类独特的拓扑材料，其中控制其电子态的波函数跨越希尔伯特空间。

因此，拓扑绝缘体表现出独特的电学性质，在本体状态下充当绝缘体，同时保持边缘或表面的导电性。拓扑绝缘体具有拓扑保护的金属狄拉克表面，狄拉克点可以穿过带隙，从而实现表面导电性。

量子霍尔效应和拓扑绝缘体

随着二维电子气中整数量子霍尔效应 (QHE) 的发现，量子物质拓扑相的研究上升到了新的高度。纵向电导率下降，而霍尔电导率在 v  e2/ h 处量化。整数 v被称为量子相的拓扑不变量，表示系统边缘的导电手性通道数量，不受样本几何形状或杂质存在的影响。

拓扑绝缘体的特征是其表面覆盖有狄拉克费米子气体。无质量狄拉克费米子的霍尔电导遵循半整数量化，由v = n + 1/2 给出，其中n源于无质量狄拉克费米子在费米面周围进行回旋运动时获得的贝里相。拓扑绝缘体中的量子化是由于其固有特性而发生的，而在传统材料中，需要非常强的磁场才能观察到这种现象。

在 Bi₂Se₂等新型拓扑绝缘体中观察到了 QHE ，这凸显了时间反演对称性的作用，它保护了边缘态并导致传导而不损失任何能量。由 QHE 引起的边缘态传导是拓扑异常的结果。拓扑绝缘体中 QHE 产生的新电子特性增强了拓扑绝缘体在各种工程应用中的使用。

韦尔半金属和拓扑超导体推动半导体制造发展

体能隙内的无能隙表面态被认为是拓扑绝缘体的铁证。拓扑表面态 (TSS) 也存在于韦尔半金属 (WSM) 中，其特点是表面存在拓扑费米弧，体内存在手性磁效应。

赫尔曼·外尔通过解狄拉克方程预测了一种无质量费米子，即外尔费米子。根据凝聚态物理学的概念，这些费米子是白空间中低能波动的产物。根据凝聚态物理学，电子能带在三维动量空间中呈线性分散，汇聚在称为外尔节点的点上。材料要表现出外尔半金属行为，必须破坏时间反演对称性 (TRS) 或晶格反演对称性。实验研究证实了表面存在外尔节点和拓扑费米弧，证明了拓扑相对材料电学性质的影响，这反过来又为高效的量子半导体铺平了道路。

与 WSM 一样，拓扑超导体也被证明是推动半导体制造进步的关键。这些材料由称为马约拉纳费米子的准粒子激发组成，它们是非阿贝尔任意子，不受局部扰动的影响。马约拉纳费米子根据叠加原理存在，超导性可以通过磁绝缘体诱导的磁性实现。

这些材料被半导体制造商用于外延超导体-半导体纳米线的混合异质结构。由这些超导体组成的混合设备中的马约拉纳费米子可确保编码信息免受任何杂质和故障的影响，同时确保量子计算的高速和高效。拓扑超导体为高质量量子芯片和半导体器件打开了大门。

半导体制造中的优势和应用

拓扑材料的绝缘时间反转不变量会产生固有的强自旋轨道相互作用，从而导致带隙反转。能带反转赋予拓扑材料独特的机电特性，例如无背向散射和自旋动量锁定。这些特性被证明是降低功耗、提高半导体器件效率和防止杂质的关键。

拓扑保护状态可实现传导，不会受到反向散射的影响，从而使电荷/电子运动不受杂质的影响，而杂质可能会影响纳米级普通材料的性质。这可轻松提高晶体管和存储设备的效率，从而自动实现成本优化。

实验研究表明，拓扑材料中的多个表面态会产生平行电荷导电通道。例如，在 Be ₂ Se ₃薄膜中，背栅和顶栅的开发导致三条平行的导电路径，从而提供更快的信息流和编码信息的安全性。

由传统材料制成的晶体管存在有限尺寸缺陷，这些缺陷会大幅增加电阻率，导致半导体器件中互连出现瓶颈状态，从而大大降低效率。表面态的平行传导路径不受杂质效应的影响，充分利用了状态的拓扑性质，从而降低了电阻率并增强了电子流动。这些特性确保了拓扑材料有望在未来许多年内在信息处理设备的制造中发挥重要作用。

拓扑材料面临的挑战

拓扑材料面临的一个关键挑战是难以通过电传输测量明确地获取拓扑表面态。Tis 中存在反位缺陷，导致体载流子浓度增加。在这种情况下，表面态和体态都会影响电导率和电子传输。这使得通过实验确定表面态对半导体性能的贡献变得极具挑战性。

此外，产生拓扑材料中诱导量子效应所需的强磁场既昂贵又耗时。这使得大规模制造拓扑半导体器件的要求极高。最后，将拓扑材料集成到主要依赖硅的现有基础设施中是一项复杂的挑战，专家对其可靠性表示担忧。

未来展望

拓扑半导体的未来前景一片光明。二维拓扑半金属正成为制造高质量太赫兹探测器的首要任务。这些新型拓扑材料中的低能激发使它们能够在宽检测带内高效运行。静电工程等技术也已成熟，从而可以快速制造用于半导体器件的拓扑薄膜。

此外，材料科学和工程领域的最新进展使我们能够操纵有机半导体以利用不同的激子拓扑状态，为新型高质量 LED 提供新平台。这些创新必将加强半导体制造的拓扑材料市场，开创高质量热电子的新时代。