DNA-lignende materiale kunne bringe endnu mindre transistorer

Computerchips bruger milliarder af bittesmå kontakter, kaldet transistorer, at behandle oplysninger. Jo flere transistorer på en chip, jo hurtigere er computeren.

Et materiale formet som en endimensionel DNA-helix kan yderligere skubbe grænserne for en transistors størrelse. Materialet kommer fra et sjældent jordarters grundstof kaldet tellur.

Forskere fandt ud af, at materialet, indkapslet i et nanorør lavet af bornitrid, hjælper med at bygge en felteffekttransistor med en diameter på to nanometer. Transistorer på markedet er lavet af større silicium og har en skala på mellem 10 og 20 nanometer.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Naturelektronik . Ingeniører ved Purdue University udførte arbejdet i samarbejde med Michigan Technological University, Washington University i St. Louis, og University of Texas i Dallas.

I løbet af de sidste par år, transistorer er blevet bygget så små som nogle få nanometer i laboratorieindstillinger. Målet er at bygge transistorer på størrelse med atomer.

Peide Yes laboratorium i Purdue er en af ​​mange forskergrupper, der søger at udnytte materialer, der er meget tyndere end silicium for at opnå både mindre og mere effektive transistorer.

"Dette tellurmateriale er virkelig unikt. Det bygger en funktionel transistor med potentiale til at blive den mindste i verden, " sagde du, Purdues Richard J. og Mary Jo Schwartz professor i elektro- og computerteknik.

I 2018, det samme forskerhold på Purdue opdagede tellurene, et todimensionelt materiale afledt af tellur. De fandt ud af, at transistorer lavet med dette materiale kunne bære betydeligt mere elektrisk strøm, gør dem mere effektive.

Opdagelsen gjorde dem nysgerrige efter, hvad tellur ellers kunne gøre for transistorer. Elementets evne til at tage form af et ultratyndt materiale i én dimension kunne hjælpe med at reducere transistorer yderligere.

En måde at krympe felteffekttransistorer på, den slags, der findes i de fleste elektroniske enheder, er at bygge de porte, der omgiver tyndere nanotråde. Disse nanotråde er beskyttet i nanorør.

Jing-Kai Qin og Pai-Ying Liao, Purdue el- og computeringeniørstuderende, ledte arbejde med at finde ud af, hvordan man kan gøre tellur så lille som en enkelt atomkæde og derefter bygge transistorer med disse atomkæder eller ultratynde nanotråde.

De startede med at dyrke endimensionelle kæder af telluratomer. Wenzhuo Wus laboratorium i Purdue syntetiserede nøgne tellur nanotråde til sammenligning. Et hold ledet af Li Yang ved Washington University simulerede, hvordan tellur kunne opføre sig.

Forskerne var overraskede over at opdage, at atomerne i disse endimensionelle kæder vrikker. Disse vrikker blev gjort synlige gennem TEM-billeddannelse udført af Moon Kim ved University of Texas i Dallas og Hai-Yan Wang ved Purdue.

"Siliconatomer ser lige ud, men disse telluratomer er som en slange. Dette er en meget original slags struktur, " sagde du.

Vrikkerne var atomerne, der binder sig stærkt til hinanden i par for at danne DNA-lignende spiralkæder, derefter stabling gennem svage kræfter kaldet van der Waals interaktioner for at danne en tellur krystal.

Disse van der Waals interaktioner ville adskille tellur som et mere effektivt materiale til enkelte atomkæder eller endimensionelle nanotråde sammenlignet med andre, fordi det er lettere at passe ind i et nanorør, sagde du.

Da åbningen af ​​et nanorør ikke kan være mindre end størrelsen af ​​et atom, tellurspiraler af atomer kunne opnå mindre nanotråde og, derfor, mindre transistorer.

Forskerne byggede en transistor med en tellur nanotråd indkapslet i et bornitrid nanorør, leveret af fysikprofessor Yoke Khin Yaps laboratorium ved Michigan Technological University. Et bornitrid nanorør af høj kvalitet isolerer effektivt tellur, gør det muligt at bygge en transistor.

Xianfan Xus laboratorium i Purdue karakteriserede materialets egenskaber med Raman-spektroskopi for at benchmarke dets ydeevne.

"Denne forskning afslører mere om et lovende materiale, der kunne opnå hurtigere databehandling med meget lavt strømforbrug ved at bruge disse små transistorer, " sagde Joe Qiu, programleder for U.S. Army Research Office, som finansierede dette arbejde. "Den teknologi ville have vigtige anvendelser for hæren."