Schnelle und ultradünn: Graphen Nanotransistoren

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Silizium ist seit langem das "Arbeitspferd" unserer digitalen Welt, aber wie Silikontransistoren auf der Nanoebene zu verkleinern, könnten solche Faktoren wie übermäßige Stromverbrauch bei diesen Geräten Leistung beeinträchtigen.

"Die Skalierung der Silizium-Transistoren die Wirtschaft auf der ganzen Welt für des letzten halben Jahrhunderts getragen hat", sagt Jeff Welser, Direktor der Nanoelektronik Forschungsinitiative an Semiconductor Research Corporation (SRC), ein Konsortium bestehend aus der weltweit größten Halbleiterhersteller. "Die Vereinigten Staaten ist führend in der Mikroelektronik, und um diese Führung zu erhalten und weiter die Wirtschaft vorantreiben, wir müssen einen Weg finden, halten das Gerät Skalierung geht."

Viele der Lösungen, die auf der ganzen Welt verfolgt beinhalten die Annahme des neuen Geräts Architekturen oder neue Materialien. Bhagawan Sahu, eine Forschung Physiker an der Akademie für Nanotechnologie des Südwesten (Schwan), befindet sich an der University of Texas at Austin, gehört eine bundesweite Suche zu finden, nanoskaligen Materialien und Prozesse, die bis zum Jahr 2020 Silikontransistoren ersetzen kann.

Schmidt und seine Kollegen von SWAN Ziel, Transistoren, die weniger als 10 Nanometer lang und weniger als ein Nanometer dick sind. Dazu untersuchen sie Graphen, eine einzelne Schicht aus Graphit, das ist eines der dünnsten Materialien in der Welt und besitzt Elektron-Mobilität (ein Maß dafür wie schnelle Elektronen kann als Reaktion auf äußere Spannungen verschieben) höher als Silizium. Diese Merkmale sind attraktive Features und haben großes Interesse aus der Halbleiterindustrie erzeugt.

Nach fünf Jahren engagierten Studie, die Gruppe Roman, wurde von der SRC als einer von nur einer Handvoll Gerät Ideen weiter untersucht werden Graphen-basierte Design ausgewählt.

"Verständnis der Gerätekomponenten [auf der Ebene der Atome] durch Simulationen [kritischen] für diese nanoskaligen Geräte geworden," sagt Sahu. "Unsere Bemühungen im SWAN bieten die Gemeinschaft mit den Simulationsergebnissen, die durch virtuelle Experimente gewonnen werden, bevor jede reale Experimente durchgeführt werden."

Das Graphen-basierte System, das die Forscher geschaffen – das nennen sie die Bilayer Pseudospintronic Feldeffekt-Transistor (oder BiSFET) – basiert auf zwei Schichten von Graphen, getrennt durch ein super-dünnen Isolator Luft oder Vakuum. Die Physik des Geräts basiert auf "kollektive kostenlos Motion", wo ein suprafluiden Zustand bei Raumtemperatur unter bestimmten Bedingungen bildet.

"In dieser Struktur aller Elektronen in einer Schicht oder das andere sein wollen", erklärt Welser. "Durch Anlegen einer geringen Spannung – in der Größenordnung von 25 Millivolt – Sie erhalten alle unentgeltlich von einer Seite zur anderen springen können. Es wirkt wie ein Schalter, der genau wie wir wollen, dass unsere Transistoren zu handeln."

Um dieses Phänomen zu untersuchen, verwendet Schmidt und sein Team die NSF unterstützt Ranger und Lonestar 4 Supercomputer an der Texas Advanced Computing Center (TACC). Computer, aufgrund ihrer Größe und Leistung, konnten die Wissenschaftler neue materielle Modellsysteme, die leicht hergestellt werden können nicht.

Darüber hinaus erlaubt die Möglichkeit, Designs schnell und wiederholt zu simulieren die Forscher experimentieren – praktisch, mit unterschiedlichen breiten, Längen, Schicht Ausrichtungen, wie Schichten werden gestapelt und externe Spannungen für Graphen Bänder und Flocken – um zu sehen, wie die Variablen beeinflussen die elektronischen Eigenschaften, einschließlich das Elektron Bandlücke, Magnetismus und ähnliche Faktoren. Die Simulationen wurden entscheidend für das Verständnis der internen und externen Variablen, die Leistung des Geräts beeinträchtigen können.

Wenn die Schwan-Forscher die Herausforderungen bei der Herstellung und demonstrieren die BisFET Geräte überwinden können, möglicherweise die Nanotransistor das Spiel-Wechsler die Halbleiter-Industrie setzt auf.

"Die Simulationen spielen eine wichtige Rolle bei der Aufklärung das Zusammenspiel von Struktur und elektronischen Eigenschaften von Graphen,", sagt Schmidt. "Wir bauen komponentenweise, so haben wir eine integrierte Ansicht der macht jedes Teil und wie wirkt sich das ganze Gerät."

Anmerkung der Redaktion: Die Forscher in Behind the Scenes Artikel dargestellt wurden unterstützt von der National Science Foundation (NSF), die Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter den Kulissen Archiv.