Eens onvoorstelbaar, transistors die alleen uit clusters van meerdere atomen of zelfs uit enkele atomen bestaan, beloven de bouwstenen te worden van een nieuwe generatie computers met een ongeëvenaard geheugen en verwerkingskracht. Maar om het volledige potentieel van deze kleine transistors - miniatuur elektrische aan-uitschakelaars - te realiseren, moeten onderzoekers een manier vinden om veel kopieën te maken van deze notoir moeilijk te fabriceren componenten.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's van de University of Maryland hebben een stapsgewijs recept ontwikkeld om de apparaten op atomaire schaal te produceren. Met behulp van deze instructies, het door NIST geleide team is pas het tweede ter wereld dat een transistor met één atoom heeft gebouwd en het eerste dat een reeks enkelvoudige elektronentransistors heeft gefabriceerd met controle op atoomschaal over de geometrie van de apparaten.

De wetenschappers toonden aan dat ze de snelheid waarmee individuele elektronen door een fysieke opening of elektrische barrière in hun transistor stromen, nauwkeurig konden aanpassen, hoewel de klassieke fysica de elektronen zou verbieden dit te doen omdat ze onvoldoende energie hebben. Dat strikt kwantumfenomeen, bekend als kwantumtunneling, wordt pas belangrijk als de openingen extreem klein zijn, zoals in de miniatuurtransistoren. Nauwkeurige controle over kwantumtunneling is van cruciaal belang omdat het de transistors in staat stelt om "verstrengeld" of onderling verbonden te raken op een manier die alleen mogelijk is door de kwantummechanica en nieuwe mogelijkheden opent voor het maken van kwantumbits (qubits) die kunnen worden gebruikt in kwantumcomputers.

Om single-atom en enkele-atom transistors te fabriceren, het team vertrouwde op een bekende techniek waarbij een siliciumchip wordt bedekt met een laag waterstofatomen, die gemakkelijk aan silicium binden. De fijne punt van een scanning tunneling microscoop verwijderde vervolgens waterstofatomen op geselecteerde locaties. De resterende waterstof fungeerde als een barrière, zodat toen het team fosfinegas (PH ₃ ) aan het siliciumoppervlak, individuele PH ₃ moleculen die alleen vastzaten op de plekken waar de waterstof was verwijderd (zie animatie). De onderzoekers verwarmden vervolgens het siliciumoppervlak. De door warmte uitgestoten waterstofatomen uit de PH ₃ en zorgde ervoor dat het achtergebleven fosforatoom zich in het oppervlak nestelde. Met extra verwerking, gebonden fosforatomen vormden de basis van een reeks zeer stabiele apparaten met één of enkele atomen die het potentieel hebben om als qubits te dienen.

Twee van de stappen in de door de NIST-teams bedachte methode - het afdichten van de fosforatomen met beschermende lagen silicium en vervolgens elektrisch contact maken met de ingebedde atomen - lijken essentieel te zijn geweest om op betrouwbare wijze veel kopieën van atomair nauwkeurige apparaten te fabriceren. NIST-onderzoeker Richard Silver zei.

Vroeger, onderzoekers hebben meestal warmte toegepast terwijl alle siliciumlagen zijn gegroeid, om defecten te verwijderen en ervoor te zorgen dat het silicium de zuivere kristallijne structuur heeft die nodig is om de apparaten met één atoom te integreren met conventionele elektrische componenten met siliciumchips. Maar de NIST-wetenschappers ontdekten dat een dergelijke verwarming de gebonden fosforatomen zou kunnen losmaken en mogelijk de structuur van de apparaten op atomaire schaal zou kunnen verstoren. In plaats daarvan, het team deponeerde de eerste paar siliciumlagen bij kamertemperatuur, waardoor de fosforatomen blijven zitten. Pas toen volgende lagen werden aangebracht, paste het team warmte toe.

"Wij geloven dat onze methode om de lagen aan te brengen, stabielere en nauwkeurigere apparaten op atomaire schaal biedt, "Zei Silver. Zelfs een enkel atoom dat niet op zijn plaats zit, kan de geleidbaarheid en andere eigenschappen van elektrische componenten met enkele of kleine clusters van atomen veranderen.

Het team ontwikkelde ook een nieuwe techniek voor de cruciale stap om elektrisch contact te maken met de begraven atomen, zodat ze als onderdeel van een circuit kunnen werken. De NIST-wetenschappers verwarmden zachtjes een laag palladiummetaal die was aangebracht op specifieke gebieden op het siliciumoppervlak die zich direct boven geselecteerde componenten van het in silicium ingebedde apparaat bevonden. Het verwarmde palladium reageerde met het silicium om een ​​elektrisch geleidende legering te vormen, palladiumsilicide genaamd. die van nature door het silicium drong en contact maakte met de fosforatomen.

In een recente editie van Geavanceerde functionele materialen , Zilver en zijn collega's, waaronder Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr. en Curt Richter, benadrukten dat hun contactmethode een slagingspercentage van bijna 100% heeft. Dat is een belangrijke prestatie, merkte Wyrick op. "Je kunt het beste single-atom-transistor-apparaat ter wereld hebben, maar als je er geen contact mee kunt maken, het is nutteloos, " hij zei.

Het fabriceren van transistors met één atoom "is een moeilijk en gecompliceerd proces waar iedereen misschien zijn tanden op moet zetten, maar we hebben de stappen uiteengezet zodat andere teams niet met vallen en opstaan ​​te werk hoeven te gaan, ' zei Richter.

In gerelateerd werk dat vandaag is gepubliceerd in Communicatiefysica , Silver en zijn collega's toonden aan dat ze de snelheid waarmee individuele elektronen door atomair precieze tunnelbarrières in enkel-elektrontransistors tunnelen, nauwkeurig kunnen regelen. De NIST-onderzoekers en hun collega's fabriceerden een reeks enkel-elektrontransistoren die in alle opzichten identiek waren, behalve voor verschillen in de grootte van de tunneling-gap. Metingen van de stroomsterkte gaven aan dat door de opening tussen transistorcomponenten met minder dan een nanometer (miljardste van een meter) te vergroten of te verkleinen, het team kon de stroom van een enkel elektron door de transistor op een voorspelbare manier nauwkeurig regelen.

"Omdat kwantumtunneling zo fundamenteel is voor elk kwantumapparaat, inclusief de bouw van qubits, het vermogen om de stroom van één elektron tegelijk te regelen is een belangrijke prestatie, " zei Wyrick. Bovendien, naarmate ingenieurs steeds meer circuits op een kleine computerchip plaatsen en de kloof tussen componenten steeds kleiner wordt, het begrijpen en beheersen van de effecten van kwantumtunneling zal nog belangrijker worden, zei Richter.