Udnyttelse af potentialet ved kvantetunneling:Transistorer uden halvledere

(Phys.org) – I årtier, elektroniske enheder er blevet mindre, og mindre, og mindre. Det er nu muligt – endda rutinemæssigt – at placere millioner af transistorer på en enkelt siliciumchip.

Men transistorer baseret på halvledere kan kun blive så små. "Med den hastighed, den nuværende teknologi skrider frem, om 10 eller 20 år, de vil ikke kunne blive mindre, " sagde fysiker Yoke Khin Yap fra Michigan Technological University. "Også, halvledere har en anden ulempe:de spilder meget energi i form af varme."

Forskere har eksperimenteret med forskellige materialer og design til transistorer for at løse disse problemer, bruger altid halvledere som silicium. Tilbage i 2007, Yap ville prøve noget andet, der kunne åbne døren til en ny tidsalder inden for elektronik.

"Idéen var at lave en transistor ved hjælp af en nanoskala isolator med nanoskala metaller på toppen, " sagde han. "I princippet, du kan få et stykke plastik og sprede en håndfuld metalpulver ovenpå for at lave enhederne, hvis du gør det rigtigt. Men vi prøvede at skabe det i nanoskala, så vi valgte en nanoskala isolator, bornitrid nanorør, eller BNNT'er for substratet."

Yaps team havde fundet ud af, hvordan man laver virtuelle tæpper af BNNT'er, som tilfældigvis er isolatorer og dermed meget modstandsdygtige over for elektrisk ladning. Ved hjælp af lasere, holdet placerede derefter kvanteprikker (QD'er) af guld så små som tre nanometer på tværs på toppen af ​​BNNT'erne, danner QD'er-BNNT'er. BNNT'er er ideelle substrater for disse kvanteprikker på grund af deres små, kontrollerbar, og ensartede diametre, samt deres isolerende karakter. BNNT'er begrænser størrelsen af ​​de prikker, der kan deponeres.

I samarbejde med forskere ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL), de tændte elektroder i begge ender af QDs-BNNT'erne ved stuetemperatur, og der skete noget interessant. Elektroner hoppede meget præcist fra guldprik til guldprik, et fænomen kendt som kvantetunneling.

"Forestil dig, at nanorørene er en flod, med en elektrode på hver bank. Forestil dig nu nogle meget små trædesten over floden, " sagde Yap. "Elektronerne hoppede mellem guldtrædestenene. Stenene er så små, du kan kun få én elektron på stenen ad gangen. Hver elektron passerer den samme vej, så enheden er altid stabil."

Yaps team havde lavet en transistor uden halvleder. Når der er tilført tilstrækkelig spænding, den skiftede til en ledende tilstand. Når spændingen var lav eller slukket, den vendte tilbage til sin naturlige tilstand som en isolator.

Desuden, der var ingen "lækage":ingen elektroner fra guldprikkerne slap ind i de isolerende BNNT'er, dermed holde tunnelkanalen kølig. I modsætning, silicium er udsat for lækage, som spilder energi i elektroniske enheder og genererer meget varme.

Andre mennesker har lavet transistorer, der udnytter kvantetunneling, siger Michigan Tech fysiker John Jaszczak, som har udviklet den teoretiske ramme for Yaps eksperimentelle forskning. Imidlertid, disse tunneling-enheder har kun fungeret under forhold, der ville afskrække den typiske mobiltelefonbruger.

"De fungerer kun ved flydende helium temperaturer, " sagde Jaszczak.

Hemmeligheden bag Yaps guld-og-nanorør-enhed er dens submikroskopiske størrelse:en mikron lang og omkring 20 nanometer bred. "Guldøerne skal være i størrelsesordenen nanometer på tværs for at kontrollere elektronerne ved stuetemperatur, " sagde Jaszczak. "Hvis de er for store, for mange elektroner kan flyde." I dette tilfælde, mindre er virkelig bedre:"At arbejde med nanorør og kvanteprikker får dig til den skala, du ønsker for elektroniske enheder."

"Teoretisk set, disse tunnelkanaler kan miniaturiseres til praktisk talt nul dimension, når afstanden mellem elektroderne er reduceret til en lille brøkdel af en mikron, " sagde Yap.

Yap har ansøgt om et fuldt internationalt patent på teknologien.