Silicium heeft weinig serieuze concurrenten als materiaal bij uitstek in de elektronica-industrie. Toch transistoren, de schakelbare kleppen die de stroom van elektronen in een circuit regelen, kan niet simpelweg blijven krimpen om te voldoen aan de behoeften van machtige, compacte apparaten; fysieke beperkingen zoals energieverbruik en warmteafvoer zijn te groot.

Nutsvoorzieningen, met behulp van een kwantummateriaal genaamd een gecorreleerd oxide, Harvard-onderzoekers hebben een omkeerbare verandering in elektrische weerstand van acht ordes van grootte bereikt, een resultaat noemen de onderzoekers 'kolossaal'. Kortom, ze hebben dit materiaal ontworpen om vergelijkbaar te presteren met de beste siliciumschakelaars.

De bevinding deed zich voor op wat misschien een onwaarschijnlijke plek lijkt:een laboratorium dat gewoonlijk is gewijd aan het bestuderen van brandstofcellen - het soort dat op methaan of waterstof werkt - onder leiding van Shriram Ramanathan, Universitair hoofddocent materiaalkunde aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). De bekendheid van de onderzoekers met dunne films en ionisch transport stelde hen in staat om chemie te benutten, in plaats van temperatuur, om het dramatische resultaat te bereiken.

Omdat de gecorreleerde oxiden even goed kunnen functioneren bij kamertemperatuur of een paar honderd graden daarboven, het zou gemakkelijk zijn om ze te integreren in bestaande elektronische apparaten en fabricagemethoden. De vondst, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , stelt daarom gecorreleerde oxiden stevig vast als veelbelovende halfgeleiders voor toekomstige driedimensionale geïntegreerde schakelingen en voor adaptieve, afstembare fotonische apparaten.

Uitdagend silicium

Hoewel elektronicafabrikanten grotere snelheid en functionaliteit in kleinere pakketten blijven verpakken, de prestaties van op silicium gebaseerde componenten zullen binnenkort een muur raken.

"Traditionele siliciumtransistors hebben fundamentele schaalbeperkingen, ", zegt Ramanathan. "Als je ze kleiner maakt dan een bepaalde minimale functiegrootte, ze gedragen zich niet helemaal zoals ze zouden moeten."

Toch zijn siliciumtransistors moeilijk te verslaan, met een aan/uit-verhouding van minimaal 10^4 vereist voor praktisch gebruik. "Het is een behoorlijk hoge lat om over te steken, " Ramanathan legt uit, toe te voegen dat tot nu toe, experimenten met gecorreleerde oxiden hebben veranderingen van slechts ongeveer een factor 10 opgeleverd, of maximaal 100, in de buurt van kamertemperatuur. Maar Ramanathan en zijn team hebben een nieuwe transistor gemaakt, voornamelijk gemaakt van een oxide genaamd samariumnikkelaat, dat in de praktijk een aan / uit-verhouding van meer dan 10 ^ 5 bereikt, dat wil zeggen, vergelijkbaar met state-of-the-art siliciumtransistors.

In toekomstig werk zullen de onderzoekers de schakeldynamiek en vermogensdissipatie van het apparaat onderzoeken; In de tussentijd, dit voorschot vormt een belangrijk proof of concept.

"Onze orbitale transistor zou echt de grenzen van dit veld kunnen verleggen en zeggen:weet je wat? Dit is een materiaal dat silicium kan uitdagen, ' zegt Ramanathan.

Chemische doping in vaste toestand

Materiaalwetenschappers bestuderen al jaren de familie van gecorreleerde oxiden, maar het vakgebied staat nog in de kinderschoenen, waarbij het meeste onderzoek gericht was op het vaststellen van de fysieke basiseigenschappen van de materialen.

"We hebben net ontdekt hoe we deze materialen kunnen dopen, wat een fundamentele stap is in het gebruik van een halfgeleider, ' zegt Ramanathan.

Doping is het proces waarbij verschillende atomen in de kristalstructuur van een materiaal worden geïntroduceerd, en het beïnvloedt hoe gemakkelijk elektronen er doorheen kunnen bewegen - dat wil zeggen, in welke mate het elektriciteit weerstaat of geleidt. Doping veroorzaakt meestal deze verandering door het aantal beschikbare elektronen te vergroten, maar deze studie was anders. Het Harvard-team manipuleerde de band gap, de energiebarrière voor de elektronenstroom.

"Door een bepaalde keuze van doteringsmiddelen - in dit geval, waterstof of lithium - we kunnen de bandafstand in dit materiaal vergroten of verkleinen, deterministisch bewegende elektronen in en uit hun orbitalen, " zegt Ramanathan. Dat is een fundamenteel andere benadering dan bij andere halfgeleiders wordt gebruikt. De traditionele methode verandert het energieniveau om het doel te bereiken; de nieuwe methode verplaatst het doel zelf.

In deze orbitale transistor, protonen en elektronen bewegen in of uit het samariumnikkelaat wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, ongeacht de temperatuur, zodat het apparaat in dezelfde omstandigheden kan worden gebruikt als conventionele elektronica. Het is in vaste toestand, wat betekent dat er geen vloeistoffen bij betrokken zijn, gassen, of bewegende mechanische onderdelen. En, bij gebrek aan macht, het materiaal onthoudt zijn huidige staat - een belangrijk kenmerk voor energie-efficiëntie.

"Dat is het mooie van dit werk, " zegt Ramanathan. "Het is een exotisch effect, maar in principe is het zeer compatibel met traditionele elektronische apparaten."

Kwantummaterialen

In tegenstelling tot silicium, samariumnikkelaat en andere gecorreleerde oxiden zijn kwantummaterialen, wat betekent dat kwantummechanische interacties een dominante invloed hebben op de materiaaleigenschappen - en niet alleen op kleine schaal.

"Als je twee elektronen in aangrenzende orbitalen hebt, en de orbitalen zijn niet volledig gevuld, in een traditioneel materiaal kunnen de elektronen van de ene orbitaal naar de andere gaan. Maar in de gecorreleerde oxiden, de elektronen stoten elkaar zo sterk af dat ze niet kunnen bewegen, " legt Ramanathan uit. "De bezetting van de orbitalen en het vermogen van elektronen om in het kristal te bewegen zijn zeer nauw met elkaar verbonden - of 'gecorreleerd'. Fundamenteel, dat bepaalt of het materiaal zich als isolator of als metaal gedraagt."

Ramanathan en anderen bij SEAS hebben met succes de metaal-isolatorovergang in vanadiumoxide gemanipuleerd, te. In 2012, ze demonstreerden een afstembaar apparaat dat 99,75% van het infraroodlicht kan absorberen, zwart lijken voor infraroodcamera's.

evenzo, samarium-nikkelaat zal waarschijnlijk de aandacht trekken van toegepaste fysici die fotonische en opto-elektronische apparaten ontwikkelen.

"Door de band gap te openen en te sluiten, kun je nu de manieren waarop elektromagnetische straling interageert met je materiaal manipuleren, " zegt Jian Shi, hoofdauteur van het artikel in Natuurcommunicatie . Hij voltooide het onderzoek als postdoctoraal onderzoeker in Ramanathan's lab aan Harvard SEAS en trad dit najaar toe tot de faculteit van het Rensselaer Polytechnic Institute. "Gewoon door een elektrisch veld aan te leggen, je bepaalt dynamisch hoe licht interageert met dit materiaal."

Verderop, Onderzoekers van het Center for Integrated Quantum Materials, opgericht aan Harvard in 2013 via een subsidie ​​van de National Science Foundation, streven naar de ontwikkeling van een geheel nieuwe klasse van kwantumelektronische apparaten en systemen die signaalverwerking en -berekening zullen transformeren.

Ramanathan vergelijkt de huidige stand van het onderzoek naar kwantummaterialen met de jaren vijftig, toen transistors pas werden uitgevonden en natuurkundigen ze nog steeds begrepen. "We bevinden ons eigenlijk in dat tijdperk voor deze nieuwe kwantummaterialen, "zegt hij. "Dit is een opwindende tijd om na te denken over het opzetten van de basis, fundamentele eigenschappen. In het komende decennium of zo, dit kan echt uitgroeien tot een zeer opwindend apparaatplatform."