Forskare har upptäckt att ett material bildar en DNA-liknande helix när det reduceras till en sträng av atomer, som ses av den rosa linjen i den här bilden, inkapslad i ett nanorör. Kredit:Purdue University/Jing-Kai Qin och Pai-Ying Liao
Datorchips använder miljarder små växlar, kallas transistorer, att bearbeta information. Ju fler transistorer på ett chip, desto snabbare är datorn.
Ett material format som en endimensionell DNA-helix kan ytterligare tänja på gränserna för en transistors storlek. Materialet kommer från ett sällsynt jordartsmetall som kallas tellur.
Forskare fann att materialet, inkapslat i ett nanorör gjord av bornitrid, hjälper till att bygga en fälteffekttransistor med en diameter på två nanometer. Transistorer på marknaden är gjorda av skrymmande kisel och sträcker sig mellan 10 och 20 nanometer i skala.
Forskningen publiceras i tidskriften Naturelektronik . Ingenjörer vid Purdue University utförde arbetet i samarbete med Michigan Technological University, Washington University i St. Louis, och University of Texas i Dallas.
Under de senaste åren, transistorer har byggts så små som några nanometer i labbmiljöer. Målet är att bygga transistorer lika stora som atomer.
Peide Yes labb i Purdue är en av många forskargrupper som försöker utnyttja material som är mycket tunnare än kisel för att uppnå både mindre och högre presterande transistorer.
"Detta tellurmaterial är verkligen unikt. Det bygger en funktionell transistor med potential att bli den minsta i världen, " sa du, Purdues Richard J. och Mary Jo Schwartz professor i elektro- och datateknik.
Under 2018, samma forskargrupp på Purdue upptäckte telluren, ett tvådimensionellt material som härrör från tellur. De fann att transistorer gjorda med detta material kunde bära betydligt mer elektrisk ström, göra dem mer effektiva.
Upptäckten gjorde dem nyfikna på vad mer tellur kunde göra för transistorer. Elementets förmåga att ta formen av ett ultratunt material i en dimension skulle kunna hjälpa till med att minska transistorerna ytterligare.
Ett sätt att krympa fälteffekttransistorer, den typ som finns i de flesta elektroniska enheter, är att bygga portarna som omger tunnare nanotrådar. Dessa nanotrådar är skyddade i nanorör.
Dessa silver, vickande linjer är strängar av atomer i tellur som beter sig som DNA. Forskare har inte sett detta beteende i något annat material. Kredit:University of Texas i Dallas/Qingxiao Wang och Moon Kim
Jing-Kai Qin och Pai-Ying Liao, Purdue doktorander i el- och datateknik, ledde arbetet med att ta reda på hur man gör tellur så liten som en enda atomkedja och sedan bygger transistorer med dessa atomkedjor eller ultratunna nanotrådar.
De började växa endimensionella kedjor av telluratomer. Wenzhuo Wus labb vid Purdue syntetiserade kala tellur nanotrådar för jämförelse. Ett team ledd av Li Yang vid Washington University simulerade hur tellur kan bete sig.
Forskarna blev förvånade när de upptäckte att atomerna i dessa endimensionella kedjor vickar. Dessa vickningar gjordes synliga genom TEM-avbildning utförd av Moon Kim vid University of Texas i Dallas och Hai-Yan Wang vid Purdue.
"Kiselatomer ser raka ut, men dessa telluratomer är som en orm. Detta är en mycket originell typ av struktur, " sa du.
Vickorna var atomerna som starkt binder till varandra i par för att bilda DNA-liknande spiralkedjor, sedan stapla genom svaga krafter som kallas van der Waals interaktioner för att bilda en tellurkristall.
Dessa van der Waals-interaktioner skulle skilja tellur som ett mer effektivt material för enstaka atomkedjor eller endimensionella nanotrådar jämfört med andra eftersom det är lättare att passa in i ett nanorör, sa du.
Eftersom öppningen av ett nanorör inte kan vara mindre än storleken på en atom, tellurspiraler av atomer kan uppnå mindre nanotrådar och, därför, mindre transistorer.
Forskarna byggde en transistor med en tellur nanotråd inkapslad i ett bornitrid nanorör, tillhandahålls av fysikprofessor Yoke Khin Yaps labb vid Michigan Technological University. Ett högkvalitativt bornitrid nanorör isolerar effektivt tellur, gör det möjligt att bygga en transistor.
Xianfan Xus labb i Purdue karakteriserade materialets egenskaper med Raman-spektroskopi för att jämföra dess prestanda.
"Denna forskning avslöjar mer om ett lovande material som skulle kunna uppnå snabbare beräkning med mycket låg strömförbrukning med dessa små transistorer, sa Joe Qiu, programledare för U.S. Army Research Office, som finansierade detta arbete. "Den tekniken skulle ha viktiga tillämpningar för armén."
