Door meedogenloos een computertechnologie van voor de Tweede Wereldoorlog te miniaturiseren, en dit te combineren met een nieuw en duurzaam materiaal, onderzoekers van Case Western Reserve University hebben schakelaars en logische poorten op nanoschaal gebouwd die energiezuiniger werken dan die welke nu door de miljarden computers worden gebruikt, tablets en smartphones.

Elektromechanische schakelaars waren de bouwstenen van de elektronica voordat de solid-state transistor tijdens de oorlog werd ontwikkeld. Een versie gemaakt van siliciumcarbide, op de kleinste schaal, klikt aan en uit als een lichtschakelaar, en zonder de energieverslindende stroomlekkage die de kleinste elektronica tegenwoordig plaagt.

De wetenschappers rapporteren hun bevindingen vandaag op de International Electron Devices Meeting in Washington D.C.

Het bewegende deel van de kleine schakelaar is slechts ongeveer een kubieke micron in volume, meer dan duizend keer kleiner dan apparaten gemaakt in de huidige mainstream micro-elektromechanische systemen (MEMS). Dus, deze schakelaar kan veel sneller bewegen en is veel lichter.

De schakelaar is ook duurzaam gebleken, meer dan 10 miljoen cycli in lucht, bij omgevingstemperaturen en hoge temperaturen zonder prestatieverlies - veel langer dan de meeste andere kandidaten voor een niet-lekkende schakelaar.

Een dergelijke tolerantie kan elektronicafabrikanten in staat stellen een computer te bouwen die werkt in de intense hitte van een kernreactor of straalmotor. Siliciumtransistors beginnen te verslechteren bij ongeveer 250 graden Celsius (480 graden Fahrenheit). Testen hebben aangetoond dat de siliciumcarbide-schakelaars werken bij meer dan 500 graden Celsius (930 graden Fahrenheit).

De ontwikkeling is belangrijk omdat schakelapparatuur de kern vormt van computer- en communicatietechnologieën.

"In onze zakken en rugzakken, tegenwoordig hebben we vaak mobiele apparaten die uit miljarden van dergelijke bouwstenen bestaan, die in- en uitschakelen om de informatieverwerkingsfuncties uit te voeren, " legde Philip Feng uit, hoogleraar elektrotechniek en informatica bij Case Western Reserve en leider van het project.

Op silicium gebaseerde metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistoren, zogenaamde MOSFET's, zijn de dominante schakelapparaten in geïntegreerde schakelingen en hebben geleid tot vele buitengewone technologieën die tegenwoordig worden genoten, zei Feng. Maar de voortdurende miniaturisering van silicium MOSFET's in de afgelopen decennia is onlangs vertraagd, aangezien stroomverbruik en warmteafvoer grote uitdagingen zijn geworden.

Energie gaat verloren en warmte wordt gegenereerd omdat MOFSET's op nanoschaal lekken als een oude kraan. Elektronen blijven reizen door een schakelaar die is uitgeschakeld.

"De siliciumschakelaars lekken elk vermogen van ongeveer 1 tot 10 nanowatt, zei Feng. "Als je er een miljard van op een computerchip hebt staan, je verliest een paar tot tientallen watt aan vermogen. Dat verbruikt de batterij die je bij je hebt, zelfs wanneer de transistors niet actief computerfuncties uitvoeren."

Grote datacenters verspillen niet alleen die energie, ze betalen de kosten van koeling om te voorkomen dat computers oververhit raken.

Tine Hij, Promovendus van prof. Feng in elektrotechniek en informatica aan Case School of Engineering, zal in haar presentatie details geven over het maken en testen van de schakelaars, Siliciumcarbide (SiC) nano-elektromechanische schakelaars en logische poorten met lange cycli en robuuste prestaties in omgevingslucht en hoge temperaturen, op de internationale bijeenkomst. Ze is gepland om te spreken in de sessie "Nano Device Technology - Steep-Slope Devices" om 15:40 uur. (Oost-Amerikaanse tijd), Maandag, 9 december

Het onderzoeksteam heeft drie-terminale, poortgestuurde schakelaars en verschillende soorten logische poorten - fundamentele elementen die worden gebruikt in computers en communicatie.

"Vergeleken met silicium en andere veel voorkomende materialen, SiC is heel bijzonder omdat het veel beter bestand is tegen oxidatie, aan chemische verontreinigingen en om te dragen, "Zei Feng. "Die eigenschappen zouden zich moeten lenen voor apparaten met robuustere prestaties terwijl ze worden beschermd tegen ruwe gebruiksomgevingen."