Blanding af silicium med andre materialer forbedrer mangfoldigheden af ​​elektroniske enheder i nanoskala

Halvledersilicium er kernen i den nuværende revolution inden for elektronik og computere. I særdeleshed, det kan producere kompakte integrerede kredsløb, når det behandles med moderne teknikker, der er i stand til at fremstille strukturer på kun få nanometer i størrelse.

Nu, Man-Fai Ng og Teck Leong Tan ved A*STAR Institute of High Performance Computing i Singapore har vist, at blanding af silicium med lignende materialer kan åbne døren til fremstillingen af ​​enheder i nanoskala med en bred vifte af egenskaber, der har en bredere vifte af applikationer.

Ng og Tan brugte state-of-the-art computersimuleringer til at vurdere den strukturelle stabilitet og elektroniske egenskaber af silicium-baserede nanotråde. Som deres navn antyder, nanotråde er blot et par nanometer brede, men kan være op til en millimeter lange. De udviser usædvanlige elektroniske egenskaber, fordi deres lille bredde begrænser elektronernes bevægelse hen over ledningen.

Egenskaberne af silicium nanotråde er veletablerede, men der er betydelige muligheder for at udvide deres anvendelighed. Forskere forventer, at de kunne realisere et mere forskelligartet udvalg af egenskaber ved delvist at erstatte silicium med andre elementer, der er i samme kolonne som silicium i det periodiske system. Der er mange potentielle materialer - inklusive kulstof, germanium og tin - som hver kan kombineres med silicium i ethvert forhold for at danne en legering.

Følgelig, det samlede antal mulige legeringer er enormt. Forskerne foretog således en omfattende søgning af alle disse siliciumbaserede legeringer for at bestemme, hvilke der er atomisk stabile, og hvilke der har de bedste egenskaber for nanotrådsudstyr.

Ng og Tan brugte tre matematiske teknikker (nemlig, tæthed funktionel teori, klyngeudvidelsesmetoden og Monte Carlo-metoden) til at simulere forskellige atomarrangementer i nanotråde.

"I stedet for at evaluere alle mulige legeringsstrukturer, vores multiskalerede simuleringstilgang muliggjorde hurtig sammenligning i stor skala af forskellige kombinationer af legeringsstrukturer og udvalgte de termodynamisk stabile, " forklarede Ng.

De mest stabile germanium-silicium og tin-silicium nanotråde viste sig at være dem, hvor siliciumatomerne er koncentreret omkring kanten af ​​tråden, og de andre atomarter er i kernen. Omvendt en optimal carbon-silicium nanotråd udviste et ordnet arrangement af atomarten.

Når de havde identificeret det optimale atomarrangement, Ng og Tan beregnede energibåndgabet - en kritisk parameter til bestemmelse af halvlederes elektroniske egenskaber. "Næste, vi planlægger at forbedre båndgab-forudsigelsen for siliciumbaserede nanotråde og udvikle vores tilgang til at adressere mere komplicerede nanosystemer til energianvendelser, " siger Ng.