Forskere får et glimt af den indre funktion af atomisk tynde transistorer

Med øje for den næste generation af tekniske gadgets, et hold fysikere ved University of Texas i Austin har fået det første indblik nogensinde i, hvad der sker inde i en atomisk tynd halvlederenhed. Derved, de opdagede, at en væsentlig funktion til databehandling kan være mulig inden for et rum, der er så lille, at det faktisk er endimensionelt.

I et papir offentliggjort den 18. juli i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskerne beskriver at se den detaljerede indre funktion af en ny type transistor, der er todimensionel.

Transistorer fungerer som byggesten til computerchips, at sende elektronerne til og fra kontakter, der kræves til computerbehandling. Fremtidige teknologiske innovationer vil kræve, at man finder en måde at montere flere transistorer på computerchips, så eksperter er begyndt at udforske nye halvledende materialer, herunder et kaldet molybdændisulfid (MoS2). I modsætning til nutidens siliciumbaserede enheder, transistorer lavet af det nye materiale giver mulighed for on-off signalering på et enkelt fladt plan.

Keji Lai, en adjunkt i fysik, og et hold fandt ud af, at med dette nye materiale, den ledende signalering sker meget anderledes end med silicium, på en måde, der kunne fremme fremtidige energibesparelser i enheder. Tænk på siliciumtransistorer som pærer:Hele enheden tændes eller slukkes på én gang. Med 2-D transistorer, derimod Lai og holdet fandt ud af, at elektriske strømme bevæger sig på en mere faset måde, begynder først ved kanterne, før de dukker op i interiøret. Lai siger, at dette tyder på, at den samme strøm kunne sendes med mindre strøm og i et endnu mindre rum, ved at bruge en endimensionel kant i stedet for det todimensionelle plan.

"I fysik, kanttilstande har ofte en masse interessante fænomener, og her, de er de første, der tænder. I fremtiden, hvis vi kan konstruere dette materiale meget omhyggeligt, så kan disse kanter bære den fulde strøm, " siger Lai. "Vi har egentlig ikke brug for det hele, fordi interiøret er ubrugeligt. Bare det at lade kanterne køre for at få en strøm til at virke, ville reducere strømtabet væsentligt."

Forskere har arbejdet på at få et overblik over, hvad der sker inde i en 2-D transistor i årevis for bedre at forstå både potentialet og begrænsningerne af de nye materialer. Gør 2-D transistorer klar til kommercielle enheder, såsom papirtynde computere og mobiltelefoner, forventes at tage flere år endnu. Lai siger, at forskere har brug for mere information om, hvad der forstyrrer ydeevnen i enheder fremstillet af de nye materialer.

"Disse transistorer er perfekt todimensionelle, " siger Lai. "Det betyder, at de ikke har nogle af de defekter, der opstår i en siliciumenhed. På den anden side, det betyder ikke, at det nye materiale er perfekt."

Lai og hans team brugte et mikroskop, som han opfandt, og som peger mikrobølger mod 2-D-enheden. Ved at bruge en spids på kun 100 nanometer bred, mikrobølgemikroskopet gjorde det muligt for forskerne at se ledningsevneændringer inde i transistoren. Udover at se strømmenes bevægelse, forskerne fandt trådlignende defekter i midten af ​​transistorerne. Lai siger, at dette tyder på, at det nye materiale skal gøres renere for at fungere optimalt.

"Hvis vi kunne gøre materialet rent nok, kanterne vil føre endnu mere strøm, og interiøret vil ikke have så mange defekter, " siger Lai.

Papirets andre forfattere er postdoc-forskerne Di Wu og Xiao Li; forsker Lan Luan, og kandidatstuderende Xiaoyu Wu og Zhaodong Chu, og professor Qian Niu i UT Austins Institut for Fysik; og kandidatstuderende Wei Li, tidligere kandidatstuderende Maruthi N. Yogeesh, postdoc Rudresh Ghosh, og lektor Deji Akinwande fra UT Austins afdeling for elektro- og computerteknik.

Tidligere i år, både Lai og Akinwande vandt Præsidentielle Early Career Awards for videnskabsmænd og ingeniører, den amerikanske regerings højeste æresbevisning for videnskabsmænd og ingeniører i de tidlige stadier.