Computerchips gebruiken miljarden kleine schakelaars, transistoren genoemd, informatie te verwerken. Hoe meer transistors op een chip, hoe sneller de computer.

Een materiaal in de vorm van een eendimensionale DNA-helix kan de grenzen van de grootte van een transistor verder verleggen. Het materiaal is afkomstig van een zeldzaam aardelement dat tellurium wordt genoemd.

Onderzoekers ontdekten dat het materiaal, ingekapseld in een nanobuis gemaakt van boornitride, helpt bij het bouwen van een veldeffecttransistor met een diameter van twee nanometer. Transistors op de markt zijn gemaakt van omvangrijker silicium en hebben een schaal tussen 10 en 20 nanometer.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Elektronica . Ingenieurs van Purdue University voerden het werk uit in samenwerking met Michigan Technological University, Washington University in St. Louis, en de Universiteit van Texas in Dallas.

De afgelopen jaren is transistors zijn zo klein als enkele nanometers gebouwd in laboratoriumomgevingen. Het doel is om transistors ter grootte van atomen te bouwen.

Het laboratorium van Peide Ye in Purdue is een van de vele onderzoeksgroepen die materialen willen gebruiken die veel dunner zijn dan silicium om zowel kleinere als beter presterende transistors te realiseren.

"Dit telluriummateriaal is echt uniek. Het bouwt een functionele transistor met het potentieel om de kleinste ter wereld te zijn, " zei je, Purdue's Richard J. en Mary Jo Schwartz hoogleraar elektrische en computertechniek.

in 2018, hetzelfde onderzoeksteam van Purdue ontdekte tellurene, een tweedimensionaal materiaal afgeleid van tellurium. Ze ontdekten dat transistors die met dit materiaal zijn gemaakt, aanzienlijk meer elektrische stroom kunnen vervoeren, waardoor ze efficiënter worden.

De ontdekking maakte hen nieuwsgierig naar wat tellurium nog meer voor transistors zou kunnen doen. Het vermogen van het element om de vorm aan te nemen van een ultradun materiaal in één dimensie zou kunnen helpen om de transistors nog verder te verkleinen.

Een manier om veldeffecttransistoren te verkleinen, het soort dat in de meeste elektronische apparaten wordt aangetroffen, is om de poorten te bouwen die dunnere nanodraden omringen. Deze nanodraden zijn beschermd in nanobuisjes.

Jing-Kai Qin en Pai-Ying Liao, Purdue doctoraatsstudenten elektrotechniek en computertechniek, geleid werk bij het uitzoeken hoe tellurium zo klein als een enkele atoomketen te maken en vervolgens transistors te bouwen met deze atoomketens of ultradunne nanodraden.

Ze begonnen met het kweken van eendimensionale ketens van telluriumatomen. Het laboratorium van Wenzhuo Wu in Purdue synthetiseerde kale tellurium-nanodraden ter vergelijking. Een team onder leiding van Li Yang van de Washington University simuleerde hoe tellurium zich zou kunnen gedragen.

De onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat de atomen in deze eendimensionale ketens wiebelen. Deze kronkels werden zichtbaar gemaakt door TEM-beeldvorming uitgevoerd door Moon Kim aan de Universiteit van Texas in Dallas en Hai-Yan Wang in Purdue.

"Siliciumatomen zien er recht uit, maar deze telluriumatomen zijn als een slang. Dit is een heel origineel soort structuur, " zei je.

De kronkels waren de atomen die zich in paren sterk aan elkaar hechtten om DNA-achtige spiraalvormige ketens te vormen, vervolgens stapelen door zwakke krachten genaamd van der Waals-interacties om een ​​telluriumkristal te vormen.

Deze van der Waals-interacties zouden tellurium onderscheiden als een effectiever materiaal voor enkelvoudige atoomketens of eendimensionale nanodraden in vergelijking met andere, omdat het gemakkelijker in een nanobuisje past, zei je.

Aangezien de opening van een nanobuisje niet kleiner kan zijn dan de grootte van een atoom, telluriumhelices van atomen kunnen kleinere nanodraden bereiken en, daarom, kleinere transistoren.

De onderzoekers bouwden een transistor met een tellurium nanodraad ingekapseld in een boornitride nanobuis, geleverd door het laboratorium van natuurkundeprofessor Yoke Khin Yap aan de Michigan Technological University. Een hoogwaardige boornitride-nanobuis isoleert effectief tellurium, waardoor het mogelijk is om een ​​transistor te bouwen.

Het laboratorium van Xianfan Xu in Purdue karakteriseerde de eigenschappen van het materiaal met Raman-spectroscopie om de prestaties te benchmarken.

"Dit onderzoek onthult meer over een veelbelovend materiaal dat snellere computers zou kunnen bereiken met een zeer laag stroomverbruik met behulp van deze kleine transistors, " zei Joe Qiu, programmamanager voor het onderzoeksbureau van het Amerikaanse leger, die dit werk financierde. "Die technologie zou belangrijke toepassingen hebben voor het leger."