Elektronische componenten zijn vaak slechts enkele nanometers groot. Volgens de wet van Moore, een transistor halveert elke twee jaar, bijvoorbeeld, dat is de enige mogelijkheid om twee miljard transistors in nanoformaat op een smartphone-chip te plaatsen. De kleine apparaten zorgen ervoor dat de smartphone kan voldoen aan de voortdurend veranderende eisen - om een ​​telefoon en camera te zijn, evenals een kwaliteitsvideocamera, zoekmachine, persoonlijke gezondheidsmonitor en entertainer. En daarbij, de componenten moeten energiezuinig werken en tegen lage kosten produceerbaar zijn.

De kleinere elektronische componenten worden, echter, hoe moeilijker ze te vervaardigen zijn. Ter vergelijking:een rode bloedcel is 7, 000 nanometer in diameter, een mensenhaar 80, 000. Bijgevolg, Het produceren van een transistor van 20 nanometer en kleiner uit halfgeleiders zoals het element silicium is niet alleen een technische uitdaging. fysieke effecten, zogenaamde kwantummechanische patronen, de eigenschappen van materialen op nanometerschaal veranderen, wat het leven bemoeilijkt voor ontwerpers en ingenieurs bij de ontwikkeling en constructie van nanodevices. ETH-Zürich professor Mathieu Luisier van het Integrated Systems Laboratory komt nu te hulp.

Computervoorspellingen

Luisier heeft meer dan tien jaar besteed aan het verfijnen van een softwareprogramma dat transistors van de toekomst simuleert, die slechts enkele nanometers groot zijn. Hij wordt ondersteund door de CSCS-supercomputer "Piz Daint", die helpt te voorspellen wat er gebeurt als de compositie, vorm en grootte van materialen veranderen in de nanowereld. Wat Luisier betreft, "Piz Daint" is momenteel de beste en meest efficiënte simulatiemachine in de zoektocht naar nieuwe, ideale materiaalcombinaties. Het werk van de ETH-professor in Zürich heeft grote belangstelling gewekt in de industrie, aangezien de simulaties tijd en kosten besparen op experimenten bij de ontwikkeling van nieuwe, efficiënte elektronische componenten.

Een probleem wanneer miljarden conventionele transistors op één chip worden geplaatst, is dat ze een enorme hoeveelheid warmte genereren en gemakkelijk oververhitten. Dit komt omdat de elektronen energie afgeven op hun weg door de transistor. Luisier en zijn team gebruiken hun software OMEN – een zogenaamde kwantumsimulator – om het elektronentransport op atomair niveau te simuleren om zo te bestuderen wat er precies gebeurt. De gesimuleerde transistor bestaat uit een nanodraad gemaakt van siliciumkristallen. "Als de elektronen door de draad stromen, ze bezitten aanvankelijk een constante, hoge hoeveelheid energie, die geleidelijk afneemt en wordt geabsorbeerd door het kristalrooster van het silicium in de vorm van zogenaamde fononen, ", legt Luisier uit. De interactie tussen de elektronen en fononen verwarmt het kristal en de totale energie blijft intact - het bewijs voor de onderzoekers dat hun model het proces correct reproduceert. Het doel is nu om de transistor te construeren op basis van de resultaten die zijn verkregen via de simulaties in zodanig dat de elektronen onderweg zo min mogelijk energie verliezen.

Spelen met kristallen

Aan de ene kant, de onderzoekers kunnen "spelen" met de volgorde van verschillende kristalniveaus in het kristal en de kristalstructuur veranderen of silicium vervangen door een ander halfgeleidermateriaal in hun simulaties. Anderzijds, ze kunnen de functionaliteiten en verschillende eigenschappen van de gesimuleerde kristallen controleren. Bijvoorbeeld, de onderzoekers simuleerden een nanodraad, waarbij het kanaal is ingekapseld in een oxide en een metalen contact (poort). De fononen die door de elektronen worden uitgezonden, worden effectief "gevangen" in het kanaal en kunnen de structuur alleen op bepaalde punten verlaten - het begin en het einde van de nanodraad. "Het vervangen van de schil rond de draad door een structuur die lijkt op de letter omega levert een groter gebied op waar de fononen uit kunnen ontsnappen, ", zegt Luisier. Als het gebied ook direct in contact staat met een koelsegment, de transistor warmt in mindere mate op. De halfgeleiders zouden ook minder warmte genereren als ze waren gemaakt van materialen zoals indium, galliumarsenide of germanium, omdat deze materialen de elektronen in staat stellen sneller door te bewegen. Echter, ze zijn veel duurder dan silicium.

Tijdens de simulaties de onderzoekers maken de structuren atoom voor atoom ontworpen. Net als bij de conventionele zogenaamde "ab initio"-methode, die intensief wordt gebruikt om de eigenschappen van materialen te analyseren, de Schrödinger-vergelijking is ook opgelost in de simulaties die zijn uitgevoerd door het team van Luisier. Hierdoor kunnen ze bestuderen hoe elektronen en fononen op elkaar inwerken.

Echter, er zijn twee belangrijke verschillen:terwijl de ab initio-methode de golfbeweging van de elektronen oplost in een gesloten of periodiek repetitief systeem, Luisier's groep vult de methode aan met open randvoorwaarden, waarmee transport kan worden gesimuleerd. De wetenschappers kunnen dan zowel de elektronenstromen als de thermische stromen observeren, en beschrijf de samenhang met de omgeving, het samenspel van de elektronenstroom met de thermische stromen. Een ander verschil is dat de berekeningen met OMEN momenteel worden uitgevoerd op basis van empirische modellen, omdat ze "ab initio" nog te complex en computerintensief zijn.

High-performance computergebruik

Echter, nieuwe algoritmen worden ontwikkeld in een samenwerkingsproject van PASC met wetenschappers van de Università della Svizzera italiana en EPF Lausanne om de berekeningen efficiënter te maken. "Op middellange termijn we willen alle empirische modellen vervangen door ab initio modellen, zodat we constructies gemaakt van verschillende materialen gemakkelijker en nauwkeuriger kunnen berekenen, " zegt Luisier. "Daarom hebben we geoptimaliseerde algoritmen en machines zoals Piz Daint nodig."

Niettemin, Luisier benadrukt dat, naar zijn beste weten, de empirische benadering van zijn team is meer state-of-the-art dan ooit tevoren bij de ontwikkeling van elektronische nanocomponenten. Een ander onderzoeksfocus van zijn groep is de simulatie van lithium-ionbatterijen. "Als we de warmteontwikkeling in transistors of batterijen beter begrijpen, we zullen betere ontwerpen kunnen voorstellen, " zegt Luisier. "OMEN is een componentensimulator van de nieuwe generatie, waar ingenieurs concepten gebruiken die nog nooit eerder in de materiaalkunde zijn gebruikt, scheikunde of natuurkunde."