For elektronik ud over silicium, en ny konkurrent dukker op

Silicium har få seriøse konkurrenter som det foretrukne materiale i elektronikindustrien. Men transistorer, de omskiftelige ventiler, der styrer strømmen af ​​elektroner i et kredsløb, kan ikke bare blive ved med at skrumpe for at opfylde behovene hos magtfulde, kompakte enheder; fysiske begrænsninger som energiforbrug og varmeafledning er for betydelige.

Nu, ved at bruge et kvantemateriale kaldet et korreleret oxid, Harvard-forskere har opnået en reversibel ændring i elektrisk modstand på otte størrelsesordener, et resultat, som forskerne kalder "kolossalt". Kort sagt, de har konstrueret dette materiale til at yde sammenligneligt med de bedste siliciumkontakter.

Fundet opstod i, hvad der kan virke usandsynligt:​​et laboratorium, der normalt er viet til at studere brændselsceller - den slags, der kører på metan eller brint - ledet af Shriram Ramanathan, Lektor i materialevidenskab ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Forskernes kendskab til tynde film og iontransport gjorde dem i stand til at udnytte kemien, frem for temperatur, at opnå det dramatiske resultat.

Fordi de korrelerede oxider kan fungere lige så godt ved stuetemperatur eller et par hundrede grader over den, det ville være let at integrere dem i eksisterende elektroniske enheder og fremstillingsmetoder. Opdagelsen, udgivet i Naturkommunikation , etablerer derfor solidt korrelerede oxider som lovende halvledere til fremtidige tredimensionelle integrerede kredsløb såvel som for adaptive, indstillelige fotoniske enheder.

Udfordrende silicium

Selvom elektronikproducenter fortsætter med at pakke større hastighed og funktionalitet i mindre pakker, ydeevnen af ​​siliciumbaserede komponenter vil snart ramme en væg.

"Traditionelle siliciumtransistorer har fundamentale skaleringsbegrænsninger, " siger Ramanathan. "Hvis du formindsker dem ud over en vis minimumsstørrelse, de opfører sig ikke helt, som de skal«.

Alligevel er siliciumtransistorer svære at slå, med et tænd/sluk-forhold på mindst 10^4, der kræves til praktisk brug. "Det er en ret høj barre at krydse, " Ramanathan forklarer, tilføjer, at indtil nu, eksperimenter med korrelerede oxider har kun produceret ændringer på omkring en faktor 10, eller højst 100, nær stuetemperatur. Men Ramanathan og hans team har lavet en ny transistor, lavet primært af et oxid kaldet samarium nikkelat, der i praktisk drift opnår et tænd/sluk-forhold på mere end 10^5 - dvs. sammenlignelig med state-of-the-art silicium transistorer.

I det fremtidige arbejde vil forskerne undersøge enhedens koblingsdynamik og effekttab; i mellemtiden, dette fremskridt repræsenterer et vigtigt bevis på konceptet.

"Vores orbitaltransistor kunne virkelig skubbe grænserne for dette felt og sige, du ved hvad? Dette er et materiale, der kan udfordre silicium, " siger Ramanathan.

Faststof kemisk doping

Materialeforskere har studeret familien af ​​korrelerede oxider i årevis, men marken er stadig i sin vorden, med hovedparten af ​​forskningen rettet mod at fastslå materialernes grundlæggende fysiske egenskaber.

"Vi har lige opdaget, hvordan man doper disse materialer, som er et grundlæggende trin i brugen af ​​enhver halvleder, " siger Ramanathan.

Doping er processen med at indføre forskellige atomer i krystalstrukturen af ​​et materiale, og det påvirker, hvor let elektroner kan bevæge sig igennem det - dvs. i hvilket omfang den modstår eller leder elektricitet. Doping bevirker typisk denne ændring ved at øge antallet af tilgængelige elektroner, men denne undersøgelse var anderledes. Harvard-holdet manipulerede bandgabet, energibarrieren for elektronstrøm.

"Ved et bestemt valg af dopingmidler - i dette tilfælde, brint eller lithium - vi kan udvide eller indsnævre båndgabet i dette materiale, deterministisk bevæger elektroner ind og ud af deres orbitaler, " siger Ramanathan. Det er en fundamentalt anderledes tilgang, end der bruges i andre halvledere. Den traditionelle metode ændrer energiniveauet for at nå målet; den nye metode flytter selve målet.

I denne orbitaltransistor, protoner og elektroner bevæger sig ind eller ud af samarium nikkelat, når et elektrisk felt påføres, uanset temperatur, så enheden kan betjenes under de samme forhold som konventionel elektronik. Det er solid state, hvilket betyder, at det ikke involverer væsker, gasser, eller bevægelige mekaniske dele. Og, i mangel af magt, materialet husker sin nuværende tilstand - en vigtig egenskab for energieffektivitet.

"Det er det smukke ved dette arbejde, " siger Ramanathan. "Det er en eksotisk effekt, men i princippet er den yderst kompatibel med traditionelle elektroniske enheder."

Kvantematerialer

I modsætning til silicium, samariumnikkelat og andre korrelerede oxider er kvantematerialer, betyder, at kvantemekaniske interaktioner har en dominerende indflydelse på materialets egenskaber - og ikke kun i små skalaer.

"Hvis du har to elektroner i tilstødende orbitaler, og orbitalerne er ikke helt fyldte, i et traditionelt materiale kan elektronerne bevæge sig fra en orbital til en anden. Men i de korrelerede oxider, elektronerne frastøder hinanden så meget, at de ikke kan bevæge sig, " Ramanathan forklarer. "Belægningen af ​​orbitaler og elektronernes evne til at bevæge sig i krystallen er meget tæt bundet sammen - eller 'korreleret'. Grundlæggende det er det, der dikterer, om materialet opfører sig som en isolator eller et metal."

Ramanathan og andre hos SEAS har med succes manipuleret metal-isolator-overgangen i vanadiumoxid, også. I 2012 de demonstrerede en justerbar enhed, der kan absorbere 99,75% af infrarødt lys, ser sort ud til infrarøde kameraer.

Tilsvarende samariumnikkelat vil sandsynligvis fange opmærksomheden hos anvendte fysikere, der udvikler fotoniske og optoelektroniske enheder.

"Åbning og lukning af båndgabet betyder, at du nu kan manipulere de måder, hvorpå elektromagnetisk stråling interagerer med dit materiale, " siger Jian Shi, hovedforfatter af papiret i Naturkommunikation . Han afsluttede forskningen som postdoc i Ramanathans laboratorium ved Harvard SEAS og sluttede sig til fakultetet ved Rensselaer Polytechnic Institute i efteråret. "Bare ved at anvende et elektrisk felt, du styrer dynamisk, hvordan lys interagerer med dette materiale."

Længere fremme, Forskere ved Center for Integrated Quantum Materials, etableret ved Harvard i 2013 gennem en bevilling fra National Science Foundation, sigter mod at udvikle en helt ny klasse af kvanteelektroniske enheder og systemer, der vil transformere signalbehandling og beregning.

Ramanathan sammenligner den nuværende tilstand af kvantematerialeforskning med 1950'erne, da transistorer blev nyopfundet, og fysikerne stadig gav mening i dem. "Vi er dybest set i den æra for disse nye kvantematerialer, " siger han. "Dette er et spændende tidspunkt at tænke på at etablere det grundlæggende, grundlæggende egenskaber. I det kommende årti eller deromkring, dette kunne virkelig udvikle sig til en meget spændende enhedsplatform."