Nästan 1, 000 gånger tunnare än ett människohår, nanotrådar kan bara förstås med kvantmekanik. Med hjälp av kvantmodeller, fysiker från Michigan Technological University har listat ut vad som driver effektiviteten hos en kisel-germanium (Si-Ge) kärna-skal nanotrådstransistor.

Core-Shell Nanotrådar

Studien, publicerades förra veckan i Nanobokstäver , fokuserar på kvanttunneling i en kärna-skal nanotrådstruktur. Ranjit Pati, en professor i fysik vid Michigan Tech, ledde arbetet tillsammans med sina doktorander Kamal Dhungana och Meghnath Jaishi.

Nanotrådar med kärnskal är som en mycket mindre version av elkabel, där kabelns kärnområde är uppbyggt av annat material än skalområdet. I detta fall, kärnan är gjord av kisel och skalet är gjord av germanium. Både kisel och germanium är halvledande material. Att vara så smal, dessa halvledande nanotrådar med kärna och skal anses vara endimensionella material som uppvisar unika fysiska egenskaper.

Arrangemanget av atomer i dessa nanotrådar bestämmer hur elektronerna passerar genom dem, Pati förklarar, tillägger att en mer omfattande förståelse av fysiken som driver dessa nanoskala transistorer kan leda till ökad effektivitet i elektroniska enheter.

"Prestandan hos en heterogen kisel-germanium nanotrådstransistor är mycket bättre än en homogen kiselnanotråd, " säger Pati. "I vår studie, vi har reda ut kvantfenomenen som är ansvariga för dess överlägsna prestanda."

Fälteffekttransistorer

Transistorer driver vår digitala värld. Och de brukade vara stora – eller åtminstone tillräckligt stora för att folk skulle kunna se. Med framsteg inom nanoteknik och materialvetenskap, forskare har kunnat minimera storleken och maximera antalet transistorer som kan monteras på ett mikrochip.

Den speciella transistor som Pati har arbetat med är en fälteffekttransistor (FET) gjord av kärna-skal nanotrådar. Den manipulerar den elektriska strömmen i nanotrådskanalen med hjälp av en grindförspänning. Enkelt uttryckt, en grindförspänning påverkar elektrisk ström i kanalen som en ventil styr vattenflödet i ett rör. Grindförspänningen producerar en elektrostatisk fälteffekt som inducerar ett omkopplingsbeteende i kanalströmmen. Genom att kontrollera detta fält kan enheten slås på eller av, ungefär som en ljusströmbrytare.

Flera grupper har framgångsrikt tillverkat kärn-skal nanotråd-FET och visat sin effektivitet jämfört med de transistorer som för närvarande används i mikroprocessorer. Vad Pati och hans team tittade på är kvantfysiken som driver deras överlägsna prestanda.

Quantum Tunneling

Den elektriska strömmen mellan source och drain i en nanotråd FET kan inte förstås med klassisk fysik. Det beror på att elektroner gör konstiga saker i så liten skala.

"Föreställ dig en fisk som fångas i ett akvarium; om fisken har tillräckligt med energi, den kan hoppa upp över väggen, " säger Pati. "Föreställ dig nu en elektron i tanken:om den har tillräckligt med energi, elektronen kan hoppa ut – men även om den inte har tillräckligt med energi, elektronen kan tunnla genom sidoväggarna, så det finns en ändlig sannolikhet att vi skulle hitta en elektron utanför tanken."

Detta är känt som quantum tunneling. För Pati, Att fånga elektronen i aktion inuti nanotrådstransistorerna är nyckeln till att förstå deras överlägsna prestanda. Han och hans team använde vad som kallas en första princips kvanttransportmetod för att veta vad som får elektronerna att tunnla effektivt i kärnan-skal nanotrådarna.

Kvanttunneleringen av elektroner - ett atomärt spel av hopscotch - är det som gör det möjligt för elektronerna att röra sig genom nanotrådsmaterialen som förbinder källan och avloppet. Och rörelsen blir mer specifik än så:elektronerna hoppar nästan uteslutande över germaniumskalet men inte genom kiselkärnan. De gör det genom de inriktade pz-orbitalerna i germanium.

Enkelt uttryckt, dessa orbitaler, som är hantelformade områden med hög sannolikhet för att hitta en elektron, är perfekta landningsplattor för tunnling av elektroner. Den specifika justeringen - färgkodad i diagrammet ovan - gör kvanttunnelering ännu enklare. Det är som skillnaden mellan att försöka gräva igenom en brunn med stålväggar kontra sandväggar. Den täta inriktningen av pz-orbitaler i germaniumskalet gör det möjligt för elektroner att tunnla från en atom till en annan, skapar en mycket högre elektrisk ström när den slås på. När det gäller homogena nanotrådar av kisel, det finns ingen tät inriktning av pz-orbitaler, vilket förklarar varför de är mindre effektiva FET.

Nanotrådar inom elektronik

Det finns många potentiella användningsområden för nanotråds-FET. Pati och hans team skriver i sitt Nano Letters-papper att de "förväntar sig att den elektroniska orbitalnivåförståelsen som erhållits i denna studie skulle visa sig vara användbar för att designa en ny generation av kärnskals nanotråds-FET."

Specifikt, att ha en heterogen struktur erbjuder ytterligare mobilitetskontroll och överlägsen prestanda jämfört med den nuvarande generationen av transistorer, förutom kompatibilitet med den befintliga kiselteknologin. Kärnskals-FET:erna med nanotråd kan förändra vår framtid genom att göra datorer kraftfullare, smartare telefoner och wearables, bilar mer sammankopplade och elnät effektivare. Nästa steg är helt enkelt att ta ett litet kvantsprång.