Elektroniska komponenter är ofta bara några få nanometer stora. Enligt Moores lag, en transistor halveras i storlek vartannat år, till exempel, vilket är den enda möjligheten att placera två miljarder transistorer i ett nanoformat på ett smartphone -chip. De små enheterna säkerställer att smarttelefonen kan hänga med i de ständigt förändrade kraven - att vara telefon och kamera, samt en videokamera av hög kvalitet, sökmotor, personlig hälsoövervakare och underhållare. Och genom att göra det, komponenterna behöver arbeta energieffektivt och kunna produceras till låga kostnader.

De tunnare elektroniska komponenterna blir, dock, desto svårare är de att tillverka. Som jämförelse:en röd blodkropp är 7, 000 nanometer i diameter, ett människohår 80, 000. Följaktligen att producera en transistor som är 20 nanometer stor och mindre från halvledare som elementet kisel är inte bara en teknisk utmaning. Fysiska effekter, så kallade kvantmekaniska mönster, ändra materialets egenskaper på en nanometer skala, vilket försvårar livet för designers och ingenjörer vid utveckling och konstruktion av nanodatorer. ETH-Zürich-professorn Mathieu Luisier från Integrated Systems Laboratory har nu kommit till undsättning.

Datorprognoser

Luisier har spenderat mer än tio år ett program som simulerar framtidens transistorer, som bara är några nanometer stora. Han får stöd av CSCS -superdatorn "Piz Daint", vilket hjälper till att förutsäga vad som händer när kompositionen, form och storlek på material förändras i nanoworld. När det gäller Luisier, "Piz Daint" är för närvarande den bästa och mest effektiva simuleringsmaskinen i sökandet efter nya, perfekta materialkombinationer. ETH-Zürich-professorns arbete har mötts av stort intresse för industrin eftersom simuleringarna sparar experimentstid och kostnader i utvecklingen av nya, effektiva elektroniska komponenter.

Ett problem när miljarder konventionella transistorer placeras på ett chip är att de genererar en enorm mängd värme och lätt överhettas. Detta beror på att elektronerna släpper ut energi på väg genom transistorn. Luisier och hans team använder sin programvara OMEN-en så kallad kvantsimulator-för att simulera elektrontransporten på atomnivå för att studera exakt vad som händer. Den simulerade transistorn består av en nanotråd tillverkad av kiselkristaller. "När elektronerna flyter genom tråden, de har initialt en konstant, hög mängd energi, som gradvis minskar och absorberas av kiselns kristallgitter i form av så kallade fononer, "förklarar Luisier. Interaktionen mellan elektronerna och fononerna värmer kristallen och den totala energin förblir intakt - bevis för forskarna att deras modell reproducerar processen korrekt. Målet är nu att konstruera transistorn baserat på resultaten som erhållits via simuleringarna i på ett sådant sätt att elektronerna tappar så lite energi som möjligt längs vägen.

Lek med kristaller

Å ena sidan, forskarna kan "leka" med storleken på olika kristallnivåer i kristallen och ändra kristallstrukturen eller ersätta kisel med ett annat halvledarmaterial i sina simuleringar. Å andra sidan, de kan kontrollera funktionerna och de olika egenskaperna hos de simulerade kristallerna. Till exempel, forskarna simulerade en nanotråd, där kanalen är innesluten i en oxid och en metallkontakt (grind). De fononer som avges av elektronerna "fångas" effektivt upp i kanalen och kan bara lämna strukturen vid vissa punkter - början och slutet av nanotråden. "Att ersätta skalet runt tråden med en struktur som liknar bokstaven omega ger ett större område för fononerna att fly från, "säger Luisier. Om området också är direkt i kontakt med ett kylsegment, transistorn värms upp i mindre utsträckning. Halvledarna skulle också generera mindre värme om de var konstruerade av material som indiumgalliumarsenid eller germanium eftersom dessa material gör att elektronerna kan röra sig snabbare. Dock, de är mycket dyrare än kisel.

Under simuleringarna forskarna producerar strukturerna designade atom för atom. Som i den konventionella så kallade "ab initio" -metoden, som används intensivt för att analysera materialegenskaper, Schrödinger -ekvationen löses också i simuleringarna som utförs av Luisiers team. Detta gör att de kan studera hur elektroner och fononer interagerar.

Dock, det finns två huvudskillnader:medan ab initio -metoden löser elektronernas vågrörelse i ett slutet eller periodiskt repetitivt system, Luisiers grupp kompletterar metoden med öppna gränsvillkor, vilket gör det möjligt att simulera transporter. Forskarna kan sedan observera både elektronflödena och värmeströmmarna, och beskriv sammankopplingen med omgivningen, elektronflödets samspel med värmeströmmarna. En annan skillnad är att beräkningarna med OMEN för närvarande utförs baserat på empiriska modeller eftersom de fortfarande är för komplexa och mer datorintensiva "ab initio".

Högpresterande datorer

Dock, nya algoritmer utvecklas i ett samarbetsvilligt PASC -projekt med forskare från Università della Svizzera italiana och EPF Lausanne för att göra beräkningarna mer effektiva. "På medellång sikt, vi vill ersätta alla empiriska modeller med ab initio -modeller så att vi lättare och mer exakt kan beräkna strukturer gjorda av olika material, "säger Luisier." Det är därför vi behöver optimerade algoritmer och maskiner som Piz Daint. "

Ändå, Luisier betonar att så vitt han vet, hans teams empiriska tillvägagångssätt är mer toppmodern än någonsin tidigare i utvecklingen av elektroniska nanokomponenter. En annan av hans grupps forskningsfokus är simulering av litiumjonbatterier. "Om vi ​​förstår värmeutvecklingen i transistorer eller batterier mer exakt, vi kommer att kunna föreslå bättre mönster, "säger Luisier." OMEN är en komponentsimulator av den nya generationen, där ingenjörer använder begrepp som aldrig tidigare har använts inom materialvetenskap, kemi eller fysik. "