突破可以进一步启动晶体管的小型化

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不断缩小的晶体管是提高计算机处理速度和效率的关键。自20世纪70年代以来,电子技术的进步在很大程度上是由稳定的速度驱动的,这些微小的组件同时在纳米尺度上同时变得更小和更强大。但近年来,随着研究者们对晶体管是否最终达到它们的尺寸极限,研究者们已经看到了这一进展。在阻碍进一步小型化的障碍列表中,有一个很高的问题:“泄漏电流”引起的问题。

当两个金属电极之间的间隙变窄到电子不再被它们的屏障所包含的点时,泄漏电流就产生了,称为量子力学隧穿。随着间隙继续减小,这种隧道传导以指数较高的速率增加,使得进一步小型化极具挑战性。长期以来,科学界一致认为真空屏障是抑制隧道效应的最有效手段,使它们成为绝缘晶体管的最佳选择。然而,即使真空屏障也能允许由于量子隧穿引起的一些泄漏。

在一项高度跨学科的合作中,哥伦比亚大学工程系、哥伦比亚大学化学系、上海师范大学和哥本哈根大学的研究人员颠覆了传统的智慧,合成了能够在纳米SC上绝缘的第一个分子。ALE比真空屏障更有效。他们的发现发表在今天的《自然》杂志上。

“我们已经达到了一个关键点,那就是研究人员必须开发创新的解决方案来重新设计绝缘体。我们的分子战略代表了经典设备的一种新设计原则,它有可能在短期内支持持续小型化。”哥伦比亚工程物理学家兼合著者Latha Venkataraman说,他是实验室的负责人,研究人员海星丽主持了该项目的前身。实验工作。分子合成是在哥伦比亚大学柯林化学系的Nukkuls实验室与上海师范大学的盛雄晓合作完成的。

这个团队的洞察力是利用电子的波动性质。通过设计一个极其刚性的硅基分子,其长度在1 nm以下,表现出全面的破坏性干涉特征,他们设计了一种用于阻止纳米尺度隧穿传导的新技术。

“这种基于量子干涉的方法为短绝缘分子提供了新的标准,”哥本哈根大学所罗门实验室的化学家Marc Garner说,他处理了理论工作。从理论上讲,干扰可以完全消除隧穿几率,并且我们已经表明,我们的分子中的绝缘成分比相同尺寸的真空隙传导得更少。同时,我们的研究也改进了对碳基系统的研究,碳基系统被认为是迄今为止最好的分子绝缘体。

当两波的波峰和波谷完全错位时,会发生破坏性量子干涉,从而消除振荡。电子波可以被认为是类似于声波穿过障碍物的声音,就像声波通过墙壁“泄漏”一样。该团队的合成分子所表现出的独特特性减轻了隧道效应,在这种比喻中,不需要更厚的壁。

他们的硅为基础的战略也提出了一个潜在的更多工厂准备解决方案。虽然最近对碳纳米管的研究在未来十年左右仍有工业应用的希望,但与目前工业标准兼容的这种绝缘体可以更容易地实现。

“祝贺这个突破的团队,”分子电子学领域的先驱Mark Ratner和西北大学的名誉教授说,他没有参与这项研究。直到今天为止,使用干扰来产生绝缘体已经被忽略了。本文演示了在硅基sigma系统中的干扰能力,这是非常令人印象深刻的。

这一突破来自于2010年初开始的基于硅基分子电子学的团队更大的项目。这个团体通过抵制这一趋势来实现他们的最新发现。在这一领域的大多数研究旨在创建高度导电的分子,因为低电导很少被认为是电子技术中的理想特性。然而,由于较小器件中的漏电流引起的固有能量低效,绝缘元件实际上可能对晶体管的未来优化具有更大的价值。

因此,他们的工作已经对分子尺度器件中传导和绝缘的基本机制产生了新的理解。研究人员将在下一步阐明硅基分子组分中的结构-功能关系的细节。

“这项工作对我们来说是非常令人欣慰的,因为在这过程中我们反复发现了新的现象,”Venkataraman说。“我们以前已经表明硅分子导线可以起开关作用,现在我们已经证明,通过改变它们的结构,我们可以制造绝缘体。在这方面有很多值得学习的东西,这将有助于塑造纳米电子学的未来。”

– Mindy Farabee

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