Enkelt molekylær isolator skubber grænser for den nuværende state of the art

Stadigt krympende transistorer er nøglen til hurtigere og mere effektiv computerbehandling. Siden 1970'erne, fremskridt inden for elektronik er i vid udstrækning blevet drevet af det konstante tempo, hvormed disse små komponenter er blevet mindre og mere kraftfulde – helt ned til deres nuværende dimensioner på nanometerskalaen. Men de seneste år har set dette fremskridt plateau, som forskere kæmper med, om transistorer endelig har nået deres størrelsesgrænse. Højt på listen over forhindringer, der står i vejen for yderligere miniaturisering:problemer forårsaget af "lækstrøm."

Lækstrøm opstår, når afstanden mellem to metalelektroder indsnævres til det punkt, at elektroner ikke længere er indeholdt af deres barrierer, et fænomen kendt som kvantemekanisk tunnelering. Efterhånden som forskellen fortsætter med at falde, denne tunnelledning øges med en eksponentielt højere hastighed, hvilket gør yderligere miniaturisering ekstremt udfordrende. Videnskabelig konsensus har længe holdt fast i, at vakuumbarrierer repræsenterer det mest effektive middel til at begrænse tunnelering, hvilket gør dem til den bedste samlede mulighed for isolering af transistorer. Imidlertid, selv vakuumbarrierer kan tillade en vis lækage på grund af kvantetunnelering.

I et meget tværfagligt samarbejde forskere på tværs af Columbia Engineering, Columbia University Department of Chemistry, Shanghai Normal University, og Københavns Universitet har opgraderet konventionel visdom, syntetisere det første molekyle, der er i stand til at isolere på nanometerskalaen mere effektivt end en vakuumbarriere. Deres resultater er offentliggjort online i dag i Natur .

"Vi har nået det punkt, hvor det er afgørende for forskere at udvikle kreative løsninger til redesign af isolatorer. Vores molekylære strategi repræsenterer et nyt designprincip for klassiske enheder, med potentiale til at understøtte fortsat miniaturisering på kort sigt, " sagde Columbia Engineering fysiker og medforfatter Latha Venkataraman, som leder laboratoriet, hvor forskeren Haixing Li udførte projektets eksperimentelle arbejde. Molekylær syntese blev udført i Colin Nuckolls Lab ved Columbia's Department of Chemistry, i samarbejde med Shengxiong Xiao ved Shanghai Normal University.

Holdets indsigt var at udnytte elektronernes bølgenatur. Ved at designe et ekstremt stift siliciumbaseret molekyle under 1 nm i længden, der udviste omfattende destruktive interferenssignaturer, de udtænkte en ny teknik til at blokere tunnelledning på nanoskala.

"Denne kvanteinterferensbaserede tilgang sætter en ny standard for korte isolerende molekyler, " sagde hovedforfatter Marc Garner, en kemiker i Københavns Universitets Solomon Lab, som varetog det teoretiske arbejde. "Teoretisk set, interferens kan føre til fuldstændig annullering af sandsynlighed for tunnelering, og vi har vist, at den isolerende komponent i vores molekyle er mindre ledende end et vakuumgab med samme dimensioner. På samme tid, vores arbejde forbedrer også nyere forskning i kulstofbaserede systemer, som blev anset for at være de bedste molekylære isolatorer indtil nu."

Destruktiv kvanteinterferens opstår, når toppene og dalene af to bølger er placeret nøjagtigt ude af fase, annullerer oscillation. Elektroniske bølger kan opfattes som analoge med lydbølger - strømmer gennem barrierer ligesom lydbølger "lækker" gennem vægge. De unikke egenskaber, der udvises af holdets syntetiske molekyle, modvirkede tunnelering uden at kræve, i denne analogi, en tykkere væg.

Deres siliciumbaserede strategi præsenterer også en potentielt mere fabriksklar løsning. Mens nyere forskning i kulstofnanorør lover industrielle anvendelser i løbet af det næste årti eller deromkring, denne isolator - kompatibel med nuværende industristandarder - kunne implementeres lettere.

"Tillykke til holdet med dette gennembrud, " sagde Mark Ratner, en pioner inden for molekylær elektronik og professor emeritus ved Northwestern University, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Brug af interferens til at skabe en isolator er blevet ignoreret indtil denne dato. Dette papir demonstrerer evnen til interferens, i et siliciumbaseret sigma-system, hvilket er ret imponerende."

Dette gennembrud voksede ud af holdets større projekt om siliciumbaseret molekyleelektronik, begyndte i 2010. Gruppen nåede frem til deres seneste opdagelse ved at modvirke tendensen. Det meste af forskningen på dette område sigter mod at skabe højt ledende molekyler, da lav ledningsevne sjældent betragtes som en ønskværdig egenskab i elektronik. Alligevel kan isoleringskomponenter faktisk vise sig at være af større værdi for fremtidig optimering af transistorer, på grund af den iboende energiineffektivitet forårsaget af lækstrømme i mindre enheder.

Som resultat, deres arbejde har givet ny forståelse af de grundlæggende underliggende mekanismer for ledning og isolering i enheder i molekylær skala. Forskerne vil bygge videre på denne indsigt ved at afklare detaljerne i struktur-funktionsforhold i siliciumbaserede molekylære komponenter.

"Dette arbejde har været yderst glædeligt for os, fordi vi i løbet af det gentagne gange har opdaget nye fænomener, " sagde Venkataraman. "Vi har tidligere vist, at silicium molekylære ledninger kan fungere som switche, og nu har vi vist, at ved at ændre deres struktur, vi kan skabe isolatorer. Der er meget at lære på dette område, som vil være med til at forme fremtiden for elektronik i nanoskala."

Undersøgelsen har titlen "Omfattende undertrykkelse af enkelt-molekyle konduktans ved hjælp af destruktiv sigma interferens."