bijna 1, 000 keer dunner dan een mensenhaar, nanodraden kunnen alleen worden begrepen met kwantummechanica. Met behulp van kwantummodellen, natuurkundigen van de Michigan Technological University hebben ontdekt wat de efficiëntie van een silicium-germanium (Si-Ge) core-shell nanodraadtransistor aandrijft.

Core-Shell Nanodraden

De studie, vorige week gepubliceerd in Nano-letters , richt zich op de kwantumtunneling in een kern-schil nanodraadstructuur. Ranjit Pati, een professor in de natuurkunde aan Michigan Tech, leidde het werk samen met zijn afgestudeerde studenten Kamal Dhungana en Meghnath Jaishi.

Core-shell nanodraden zijn als een veel kleinere versie van elektrische kabel, waarbij het kerngebied van de kabel uit ander materiaal bestaat dan het schaalgebied. In dit geval, de kern is gemaakt van silicium en de schaal is gemaakt van germanium. Zowel silicium als germanium zijn halfgeleidende materialen. Zo dun zijn, deze halfgeleidende core-shell nanodraden worden beschouwd als eendimensionale materialen die unieke fysieke eigenschappen vertonen.

De rangschikkingen van atomen in deze nanodraden bepalen hoe de elektronen er doorheen gaan, Pati legt uit, eraan toevoegend dat een meer uitgebreid begrip van de fysica die deze transistors op nanoschaal aandrijft, zou kunnen leiden tot verhoogde efficiëntie in elektronische apparaten.

"De prestaties van een heterogene silicium-germanium-nanodraadtransistor zijn veel beter dan een homogene siliciumnanodraad, " zegt Pati. "In onze studeerkamer, we hebben de kwantumfenomenen ontrafeld die verantwoordelijk zijn voor zijn superieure prestaties."

Veldeffecttransistoren

Transistoren voeden onze digitale wereld. En vroeger waren ze groot - of in ieder geval groot genoeg voor mensen om te zien. Met de vooruitgang in nanotechnologie en materiaalwetenschap, onderzoekers zijn erin geslaagd de grootte te minimaliseren en het aantal transistors dat op een microchip kan worden geassembleerd, te maximaliseren.

De specifieke transistor waar Pati aan heeft gewerkt, is een veldeffecttransistor (FET) gemaakt van core-shell nanodraden. Het manipuleert de elektrische stroom in het nanodraadkanaal met behulp van een gate-bias. Simpel gezegd, een gate-bias beïnvloedt de elektrische stroom in het kanaal zoals een klep de waterstroom in een pijp regelt. De gate-bias produceert een elektrostatisch veldeffect dat een schakelgedrag in de kanaalstroom induceert. Als u dit veld bedient, kunt u het apparaat in- of uitschakelen, net als een lichtschakelaar.

Verschillende groepen hebben met succes kern-shell nanodraad-FET's gefabriceerd en hun effectiviteit aangetoond ten opzichte van de transistors die momenteel in microprocessors worden gebruikt. Waar Pati en zijn team naar keken, is de kwantumfysica die hun superieure prestaties aanstuurt.

Kwantumtunneling

De elektrische stroom tussen source en drain in een nanodraad-FET kan niet worden begrepen met behulp van klassieke fysica. Dat komt omdat elektronen op zo'n kleine schaal vreemde dingen doen.

"Stel je een vis voor die vastzit in een aquarium; als de vis genoeg energie heeft, het zou over de muur kunnen springen, "zegt Pati. "Stel je nu een elektron in de tank voor:als het genoeg energie heeft, het elektron zou eruit kunnen springen, maar zelfs als het niet genoeg energie heeft, het elektron kan door de zijwanden tunnelen, dus er is een eindige kans dat we een elektron buiten de tank zouden vinden."

Dit staat bekend als kwantumtunneling. voor Pati, het vangen van het elektron in actie in de nanodraadtransistors is de sleutel tot het begrijpen van hun superieure prestaties. Hij en zijn team gebruikten een zogenaamde eerste-principe kwantumtransportbenadering om te weten waardoor de elektronen efficiënt tunnelen in de kern-schil nanodraden.

De kwantumtunneling van elektronen - een hinkelspel op atomaire schaal - zorgt ervoor dat de elektronen door de nanodraadmaterialen kunnen bewegen die de bron en de afvoer verbinden. En de beweging wordt specifieker dan dat:de elektronen springen bijna uitsluitend over de germaniumschil, maar niet door de siliciumkern. Ze doen dit via de uitgelijnde pz-orbitalen van het germanium.

Simpel gezegd, deze orbitalen, dit zijn haltervormige gebieden met een grote kans om een ​​elektron te vinden, zijn perfecte landingsplaatsen voor het tunnelen van elektronen. De specifieke uitlijning - kleurgecodeerd in het bovenstaande diagram - maakt kwantumtunneling nog eenvoudiger. Het is als het verschil tussen proberen door een put te graven met stalen muren versus zandmuren. De dicht opeengepakte uitlijning van de pz-orbitalen in de germaniumschil stelt elektronen in staat om van het ene atoom naar het andere te tunnelen, het creëren van een veel hogere elektrische stroom bij het inschakelen. In het geval van homogene silicium nanodraden, er is geen dicht opeengepakte uitlijning van de pz-orbitalen, wat verklaart waarom het minder effectieve FET's zijn.

Nanodraden in elektronica

Er zijn veel mogelijke toepassingen voor nanodraad-FET's. Pati en zijn team schrijven in hun Nano Letters-paper dat ze "verwachten dat het inzicht op elektronisch orbitaalniveau dat in deze studie is opgedaan nuttig zou zijn voor het ontwerpen van een nieuwe generatie kern-schaal nanodraad-FET's."

specifiek, het hebben van een heterogene structuur biedt extra mobiliteitscontrole en superieure prestaties ten opzichte van de huidige generatie transistors, naast compatibiliteit met de bestaande siliciumtechnologie. De kern-shell nanodraad-FET's kunnen onze toekomst transformeren door computers krachtiger te maken, telefoons en wearables slimmer, auto's meer onderling verbonden en elektriciteitsnetten efficiënter. De volgende stap is simpelweg een kleine kwantumsprong maken.