Forskere dyrker atomisk tynde transistorer og kredsløb

I et fremskridt, der hjælper med at bane vejen for næste generation af elektronik og computerteknologier – og muligvis papirtynde gadgets – udviklede forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en måde at kemisk sammensætte transistorer og kredsløb, der er kun få atomer tyk.

Hvad mere er, deres metode giver funktionelle strukturer i en skala, der er stor nok til at begynde at tænke på virkelige applikationer og kommerciel skalerbarhed.

De rapporterer deres forskning online 11. juli i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Forskerne kontrollerede syntesen af ​​en transistor, hvor smalle kanaler blev ætset på ledende grafen, og et halvledende materiale kaldet et overgangsmetal dichalcogenid, eller TMDC, blev sået i de tomme kanaler. Begge disse materialer er enkeltlagede krystaller og atomisk tynde, så den todelte samling gav elektroniske strukturer, der i det væsentlige er todimensionelle. Ud over, syntesen er i stand til at dække et område på få centimeter langt og et par millimeter bredt.

"Dette er et stort skridt mod en skalerbar og gentagelig måde at bygge atomisk tynd elektronik på eller pakke mere computerkraft på et mindre område, " siger Xiang Zhang, en senior videnskabsmand i Berkeley Labs Materials Sciences Division, der ledede undersøgelsen.

Zhang har også Ernest S. Kuh Endowed Chair ved University of California (UC) Berkeley og er medlem af Kavli Energy NanoSciences Institute i Berkeley. Andre videnskabsmænd, der har bidraget til forskningen, omfatter Mervin Zhao, Yu Ye, Yang Xia, Hanyu Zhu, Siqi Wang, og Yuan Wang fra UC Berkeley samt Yimo Han og David Muller fra Cornell University.

Deres arbejde er en del af en ny bølge af forskning, der sigter på at holde trit med Moores lov, hvilket går ud på, at antallet af transistorer i et integreret kredsløb fordobles cirka hvert andet år. For at holde dette tempo, forskere forudser, at integreret elektronik snart vil kræve transistorer, der måler mindre end ti nanometer i længden.

Transistorer er elektroniske kontakter, så de skal kunne tænde og slukke, som er karakteristisk for halvledere. Imidlertid, på nanometerskalaen, siliciumtransistorer vil sandsynligvis ikke være en god mulighed. Det er fordi silicium er et bulkmateriale, og efterhånden som elektronik fremstillet af silicium bliver mindre og mindre, deres ydeevne som switches falder dramatisk, som er en stor blokering for fremtidens elektronik.

Forskere har set på todimensionelle krystaller, der kun er et molekyle tykke, som alternative materialer for at holde trit med Moores lov. Disse krystaller er ikke underlagt siliciums begrænsninger.

I denne ånd, Berkeley Lab-forskerne udviklede en måde at udså en enkelt-lags halvleder på, i dette tilfælde TMDC molybdændisulfid (MoS2), ind i kanaler, der er litografisk ætset i et ark af ledende grafen. De to atomark mødes for at danne kryds i nanometerskala, der gør det muligt for grafen effektivt at injicere strøm i MoS2. Disse samlinger laver atomisk tynde transistorer.

"Denne tilgang giver mulighed for kemisk samling af elektroniske kredsløb, ved brug af todimensionelle materialer, som viser forbedret ydeevne sammenlignet med at bruge traditionelle metaller til at injicere strøm i TMDC'er, " siger Mervin Zhao, en hovedforfatter og ph.d. studerende i Zhangs gruppe ved Berkeley Lab og UC Berkeley.

Optiske og elektronmikroskopiske billeder, og spektroskopisk kortlægning, bekræftede forskellige aspekter relateret til den vellykkede dannelse og funktionalitet af de todimensionelle transistorer.

Ud over, forskerne demonstrerede anvendeligheden af ​​strukturen ved at samle den i det logiske kredsløb i en inverter. Dette understreger yderligere teknologiens evne til at lægge grundlaget for en kemisk samlet atomcomputer, siger forskerne.

"Begge disse todimensionelle krystaller er blevet syntetiseret i waferskalaen på en måde, der er kompatibel med den nuværende halvlederfremstilling. Ved at integrere vores teknik med andre vækstsystemer, det er muligt, at fremtidig databehandling kan udføres fuldstændigt med atomisk tynde krystaller, " siger Zhao.