science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Wetenschappers kweken atomair dunne transistoren en circuits

Dit schema toont de chemische samenstelling van tweedimensionale kristallen. Grafeen wordt eerst in kanalen geëtst en het TMDC-molybdeendisulfide (MoS2) begint rond de randen en in het kanaal te kiemen. Aan de randen, MoS2 overlapt enigszins bovenop het grafeen. Eindelijk, verdere groei zorgt ervoor dat MoS2 de kanalen volledig vult. Krediet:Berkeley Lab

In een voorschot dat de weg vrijmaakt voor de volgende generatie elektronica en computertechnologieën - en mogelijk flinterdunne gadgets - ontwikkelden wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy een manier om transistors en circuits chemisch te assembleren die slechts enkele atomen dik.

Bovendien, hun methode levert functionele structuren op op een schaal die groot genoeg is om na te denken over toepassingen in de echte wereld en commerciële schaalbaarheid.

Ze rapporteren hun onderzoek online op 11 juli in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

De wetenschappers controleerden de synthese van een transistor waarin smalle kanalen werden geëtst op geleidend grafeen, en een halfgeleidend materiaal genaamd een overgangsmetaal dichalcogenide, of TMDC, werd gezaaid in de lege kanalen. Beide materialen zijn enkellaags kristallen en atomair dun, dus de tweedelige assemblage leverde elektronische structuren op die in wezen tweedimensionaal zijn. In aanvulling, de synthese kan een gebied bestrijken van enkele centimeters lang en enkele millimeters breed.

"Dit is een grote stap in de richting van een schaalbare en herhaalbare manier om atomair dunne elektronica te bouwen of meer rekenkracht in een kleiner gebied te verpakken, " zegt Xiang Zhang, een senior wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab die het onderzoek leidde.

Zhang bekleedt ook de Ernest S. Kuh Endowed Chair aan de University of California (UC) Berkeley en is lid van het Kavli Energy NanoSciences Institute in Berkeley. Andere wetenschappers die hebben bijgedragen aan het onderzoek zijn onder meer Mervin Zhao, Ja, Yang Xia, Hanyu Zhu, Siqi Wang, en Yuan Wang van UC Berkeley en Yimo Han en David Muller van Cornell University.

Hun werk maakt deel uit van een nieuwe golf van onderzoek om gelijke tred te houden met de wet van Moore, wat inhoudt dat het aantal transistors in een geïntegreerde schakeling ongeveer elke twee jaar verdubbelt. Om dit tempo vast te houden, wetenschappers voorspellen dat geïntegreerde elektronica binnenkort transistors nodig zal hebben die minder dan tien nanometer lang zijn.

Transistoren zijn elektronische schakelaars, dus ze moeten kunnen in- en uitschakelen, dat is een kenmerk van halfgeleiders. Echter, op nanometerschaal, siliciumtransistors zullen waarschijnlijk geen goede optie zijn. Dat komt omdat silicium een ​​bulkmateriaal is, en naarmate elektronica gemaakt van silicium steeds kleiner wordt, hun prestaties als schakelaars drastisch afnemen, dat is een belangrijke wegversperring voor toekomstige elektronica.

Onderzoekers hebben gekeken naar tweedimensionale kristallen die slechts één molecuul dik zijn als alternatieve materialen om de wet van Moore bij te houden. Deze kristallen zijn niet onderhevig aan de beperkingen van silicium.

In deze geest, de wetenschappers van Berkeley Lab ontwikkelden een manier om een ​​enkellaagse halfgeleider te zaaien, in dit geval de TMDC molybdeendisulfide (MoS2), in kanalen die lithografisch zijn geëtst in een vel geleidend grafeen. De twee atomaire platen ontmoeten elkaar om knooppunten op nanometerschaal te vormen die grafeen in staat stellen efficiënt stroom in de MoS2 te injecteren. Deze knooppunten vormen atomair dunne transistoren.

"Deze benadering maakt de chemische assemblage van elektronische circuits mogelijk, gebruik van tweedimensionale materialen, die verbeterde prestaties vertonen in vergelijking met het gebruik van traditionele metalen om stroom in TMDC's te injecteren, " zegt Mervin Zhao, een hoofdauteur en Ph.D. student in de groep van Zhang bij Berkeley Lab en UC Berkeley.

Optische en elektronenmicroscopiebeelden, en spectroscopische kartering, bevestigde verschillende aspecten met betrekking tot de succesvolle vorming en functionaliteit van de tweedimensionale transistoren.

In aanvulling, de wetenschappers demonstreerden de toepasbaarheid van de structuur door deze in de logische schakelingen van een omvormer te monteren. Dit onderstreept verder het vermogen van de technologie om de basis te leggen voor een chemisch geassembleerde atoomcomputer, zeggen de wetenschappers.

"Beide tweedimensionale kristallen zijn op de wafelschaal gesynthetiseerd op een manier die compatibel is met de huidige halfgeleiderproductie. Door onze techniek te integreren met andere groeisystemen, het is mogelijk dat toekomstige computers volledig kunnen worden gedaan met atomair dunne kristallen, ' zegt Zhao.