Steeds kleiner wordende transistors zijn de sleutel tot snellere en efficiëntere computerverwerking. Sinds de jaren zeventig, vorderingen in de elektronica zijn grotendeels gedreven door het gestage tempo waarmee deze kleine componenten tegelijkertijd kleiner en krachtiger zijn geworden - tot hun huidige afmetingen op nanometerschaal. Maar de laatste jaren hebben we dit vooruitgangsplateau gezien, terwijl onderzoekers worstelen met de vraag of transistors eindelijk hun maximale grootte hebben bereikt. Hoog op de lijst van hindernissen die verdere miniaturisering in de weg staan:problemen veroorzaakt door 'lekstroom'.

Lekstroom ontstaat wanneer de opening tussen twee metalen elektroden zodanig vernauwt dat elektronen niet langer worden vastgehouden door hun barrières, een fenomeen dat bekend staat als kwantummechanische tunneling. Terwijl de kloof steeds kleiner wordt, deze tunnelgeleiding neemt exponentieel toe, verdere miniaturisatie uiterst uitdagend maken. De wetenschappelijke consensus is al lang van mening dat vacuümbarrières de meest effectieve manier zijn om tunneling in te perken, waardoor ze de beste algemene optie zijn voor het isoleren van transistors. Echter, zelfs vacuümbarrières kunnen enige lekkage veroorzaken als gevolg van kwantumtunneling.

In een zeer interdisciplinaire samenwerking, onderzoekers in Columbia Engineering, Columbia University Afdeling Scheikunde, Shanghai Normale Universiteit, en de Universiteit van Kopenhagen hebben conventionele wijsheid op zijn kop gezet, het synthetiseren van het eerste molecuul dat op nanometerschaal effectiever kan isoleren dan een vacuümbarrière. Hun bevindingen worden vandaag online gepubliceerd in Natuur .

"We hebben het punt bereikt waarop het van cruciaal belang is voor onderzoekers om creatieve oplossingen te ontwikkelen voor het herontwerpen van isolatoren. Onze moleculaire strategie vertegenwoordigt een nieuw ontwerpprincipe voor klassieke apparaten, met het potentieel om op korte termijn verdere miniaturisering te ondersteunen, " zei Columbia Engineering natuurkundige en co-auteur Latha Venkataraman, die aan het hoofd staat van het laboratorium waar onderzoeker Haixing Li het experimentele werk van het project uitvoerde. Moleculaire synthese werd uitgevoerd in het Colin Nuckolls Lab van Columbia's Department of Chemistry, in samenwerking met Shengxiong Xiao aan de Shanghai Normal University.

Het inzicht van het team was om het golfkarakter van elektronen te benutten. Door een extreem rigide op silicium gebaseerde molecuul te ontwerpen met een lengte van minder dan 1 nm die uitgebreide destructieve interferentiesignaturen vertoonde, ze bedachten een nieuwe techniek om tunnelgeleiding op nanoschaal te blokkeren.

"Deze op kwantuminterferentie gebaseerde benadering zet een nieuwe standaard voor korte isolerende moleculen, " zei hoofdauteur Marc Garner, een chemicus in het Solomon Lab van de Universiteit van Kopenhagen, die het theoretische werk deed. "Theoretisch, interferentie kan leiden tot volledige annulering van tunneling waarschijnlijkheid, en we hebben aangetoond dat de isolerende component in ons molecuul minder geleidend is dan een vacuümspleet van dezelfde afmetingen. Tegelijkertijd, ons werk verbetert ook het recente onderzoek naar op koolstof gebaseerde systemen, die tot nu toe als de beste moleculaire isolatoren werden beschouwd."

Destructieve kwantuminterferentie treedt op wanneer de pieken en dalen van twee golven precies uit fase zijn geplaatst, oscillatie annuleren. Elektronische golven kunnen worden gezien als analoog aan geluidsgolven:ze stromen door barrières net zoals geluidsgolven door muren "lekken". De unieke eigenschappen van het synthetische molecuul van het team verzachtten tunneling zonder dat, in deze analogie, een dikkere muur.

Hun op silicium gebaseerde strategie biedt ook een potentieel meer fabrieksklare oplossing. Hoewel recent onderzoek naar koolstofnanobuisjes veelbelovend is voor industriële toepassingen in de komende tien jaar, deze isolator - compatibel met de huidige industriestandaarden - zou gemakkelijker kunnen worden geïmplementeerd.

"Gefeliciteerd aan het team met deze doorbraak, " zei Mark Ratner, een pionier op het gebied van moleculaire elektronica en emeritus hoogleraar aan de Northwestern University die niet bij het onderzoek betrokken was. "Het gebruik van interferentie om een ​​isolator te creëren is tot op heden genegeerd. Dit document demonstreert het vermogen van interferentie, in een op silicium gebaseerd sigmasysteem, dat is best indrukwekkend."

Deze doorbraak kwam voort uit het grotere project van het team over op silicium gebaseerde molecuulelektronica, begonnen in 2010. De groep kwam tot hun laatste ontdekking door tegen de trend in te gaan. Het meeste onderzoek op dit gebied is gericht op het creëren van sterk geleidende moleculen, aangezien een lage geleidbaarheid zelden als een wenselijke eigenschap in de elektronica wordt beschouwd. Toch kunnen isolerende componenten van grotere waarde blijken te zijn voor toekomstige optimalisatie van transistors, vanwege de inherente energie-inefficiënties veroorzaakt door lekstromen in kleinere apparaten.

Als resultaat, hun werk heeft een nieuw begrip opgeleverd van de fundamentele onderliggende mechanismen van geleiding en isolatie in apparaten op moleculaire schaal. De onderzoekers zullen voortbouwen op dit inzicht door vervolgens de details van structuur-functierelaties in op silicium gebaseerde moleculaire componenten te verduidelijken.

"Dit werk heeft ons enorm veel voldoening gegeven, omdat we in de loop ervan herhaaldelijk nieuwe verschijnselen hebben ontdekt, " zei Venkataraman. "We hebben eerder aangetoond dat moleculaire draden van silicium kunnen functioneren als schakelaars, en nu hebben we aangetoond dat door hun structuur te veranderen, we kunnen isolatoren maken. Op dit gebied valt nog veel te leren om de toekomst van elektronica op nanoschaal vorm te geven."

De studie is getiteld "Uitgebreide onderdrukking van geleiding van één molecuul met behulp van destructieve sigma-interferentie."