تكنولوجيا

أساس جديد للترانزستورات فائقة السرعة

أسلاك نانوية تحت التوتر

أظهرت قياسات مطيافية تيراهيرتز أن النواة المتوترة من الأسلاك النانوية شبه الموصلة يمكن أن تستوعب الإلكترونات سريعة الحركة ، وهو مفهوم يمكن استخدامه لجيل جديد من الترانزستورات النانوية. الائتمان: HZDR / Juniks

تخلق الأسلاك النانوية النشطة أساسًا للترانزستورات فائقة السرعة.

رقائق أصغر ، أجهزة كمبيوتر أسرع ، استهلاك أقل للطاقة. المفاهيم الجديدة القائمة على الأسلاك النانوية شبه الموصلة يجب أن تجعل الترانزستورات في الدوائر الإلكترونية الدقيقة أفضل وأكثر كفاءة. تلعب حركة الإلكترونات دورًا رئيسيًا في هذا: فكلما زادت سرعة تسريع الإلكترونات في هذه الأسلاك الصغيرة ، زادت سرعة تبديل الترانزستور وانخفاض الطاقة التي يتطلبها. فريق من الباحثين من هيلمهولتز زينتروم درسدن روسندورف نجح كل من (HZDR) و TU Dresden و NaMLab في إثبات تجريبيًا أن حركة الإلكترونات في الأسلاك النانوية تتعزز بشكل ملحوظ عندما تُخضع الغلاف قلب السلك لضغط الشد. توفر هذه الظاهرة فرصًا جديدة لتطوير ترانزستورات فائقة السرعة.

تتمتع الأسلاك النانوية بخاصية فريدة: يمكن لهذه الأسلاك الرفيعة للغاية أن تتحمل ضغوطًا عالية المرونة دون الإضرار بالبنية البلورية للمادة. ومع ذلك ، فإن المواد نفسها ليست غير عادية. زرنيخيد الغاليوم ، على سبيل المثال ، يستخدم على نطاق واسع في التصنيع الصناعي ومن المعروف أن لديه قدرة عالية على تنقل الإلكترون.

التوتر يخلق السرعة

لزيادة تحسين هذا التنقل ، أنتج باحثو درسدن أسلاكًا نانوية تتكون من نواة زرنيخيد الغاليوم وقذيفة من زرنيخيد الألومنيوم الإنديوم. ينتج عن المكونات الكيميائية المختلفة تراكيب بلورية في الغلاف واللب لها تباعد شبكي مختلف قليلاً. يتسبب هذا في أن تمارس القشرة ضغطًا ميكانيكيًا عاليًا على النواة الأكثر نحافة. يغير زرنيخيد الغاليوم في النواة خصائصه الإلكترونية. “نحن نؤثر على الكتلة الفعالة للإلكترونات في النواة. يقول الدكتور إيمانويل ديماكيس ، العالم في معهد HZDR لفيزياء الشعاع الأيوني وبحوث المواد والذي بدأ الدراسة التي نُشرت مؤخرًا ، إن الإلكترونات تصبح أخف وزنًا ، إذا جاز التعبير ، مما يجعلها أكثر قدرة على الحركة.

ما بدأ كتنبؤ نظري تم الآن إثباته تجريبيًا من قبل الباحثين في الدراسة المنشورة مؤخرًا. “كنا نعلم أن الإلكترونات في النواة يجب أن تكون أكثر قدرة على الحركة في التركيب البلوري المجهد بالشد. لكن ما لم نكن نعرفه هو مدى تأثير غلاف السلك على حركة الإلكترونات في النواة. النواة رقيقة للغاية ، مما يسمح للإلكترونات بالتفاعل والتشتت من الغلاف ، “لاحظ ديماكيس. أظهرت سلسلة من القياسات والاختبارات هذا التأثير: على الرغم من التفاعل مع الغلاف ، تتحرك الإلكترونات في نواة الأسلاك المدروسة أسرع بنحو ثلاثين بالمائة في درجة حرارة الغرفة من الإلكترونات الموجودة في الأسلاك النانوية المماثلة التي كانت غير مقيدة أو في كتلة زرنيخيد الغاليوم.

تكشف الأساسية

قاس الباحثون حركة الإلكترونات من خلال تطبيق التحليل الطيفي البصري غير المتصل: باستخدام نبضة ليزر ضوئية ، أطلقوا إلكترونات داخل المادة. اختار العلماء طاقة نبضات الضوء بحيث تبدو الغلاف شبه شفافة للضوء ولا تنتج الإلكترونات الحرة إلا في قلب السلك. تسببت نبضات تيراهيرتز عالية التردد اللاحقة في تأرجح الإلكترونات الحرة. أوضح المحاضر الخاص الدكتور Alexej Pashkin ، الذي قام بتحسين القياسات لاختبار الأسلاك النانوية ذات الهيكل الأساسي قيد الدراسة بالتعاون مع فريقه في HZDR ، “إننا نركل الإلكترونات عمليًا وتبدأ في التذبذب في السلك”.

تكشف مقارنة النتائج بالنماذج كيف تتحرك الإلكترونات: فكلما زادت سرعتها وقل عدد العوائق التي تواجهها ، زاد استمرار التذبذب. “إنها في الواقع تقنية قياسية. لكن هذه المرة لم نقيس الخيط بالكامل – بما في ذلك القلب والصدفة – ولكننا نقيس النواة الصغيرة فقط. كان تحديا جديدا بالنسبة لنا. اللب حوالي واحد بالمائة من المادة. بعبارة أخرى ، نحن نثير إلكترونات أقل بنحو مائة مرة ونحصل على إشارة أضعف بمئة مرة ، “قال باشكين.

لذلك ، كان اختيار العينة أيضًا خطوة حاسمة. تحتوي العينة النموذجية في المتوسط ​​على ما يقرب من 20000 إلى 100000 سلك نانوي على قطعة من الركيزة تبلغ مساحتها حوالي مليمتر مربع. إذا كانت الأسلاك متقاربة في العينة ، يمكن أن يحدث تأثير غير مرغوب فيه: تتفاعل الأسلاك المجاورة مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى إنشاء إشارة مماثلة لتلك الخاصة بسلك واحد أكثر سمكًا وتشويه القياسات. إذا لم يتم اكتشاف هذا التأثير ، فإن السرعة الإلكترونية التي تم الحصول عليها منخفضة للغاية. لاستبعاد مثل هذه التداخلات ، أجرى فريق بحث دريسدن نمذجة إضافية بالإضافة إلى سلسلة من القياسات للأسلاك النانوية ذات الكثافة المختلفة.

نماذج الترانزستور السريعة

تطالب الاتجاهات في مجال الإلكترونيات الدقيقة وصناعة أشباه الموصلات بشكل متزايد بترانزستورات أصغر تتحول بشكل أسرع. يتوقع الخبراء أن مفاهيم الأسلاك النانوية الجديدة للترانزستورات ستدخل أيضًا الإنتاج الصناعي في السنوات القليلة المقبلة. يعتبر التطوير الذي تم في دريسدن واعدًا بشكل خاص بالنسبة للترانزستورات فائقة السرعة. ستكون الخطوة التالية للباحثين هي تطوير النماذج الأولية من الأسلاك النانوية التي تمت دراستها واختبار مدى ملاءمتها للاستخدام. للقيام بذلك ، يخططون لتطبيق واختبار وتحسين الاتصالات المعدنية على الأسلاك النانوية ، وكذلك لاختبار المنشطات من الأسلاك النانوية بالسيليكون ولتحسين عمليات التصنيع.

المرجع: “تنقل إلكترون عالي في أسلاك نانوية متوترة” بقلم ليلى بالاغي وسي شان وإيفان فوتيف وفين مويبوس وراكيش رانا وتوماسو فينانزي ورينيه هوبنر وتوماس ميكولاجيك وهارالد شنايدر ومانفريد هيلم وأليكسيج باشكين وإيمانويل ديماكيس ، 17 نوفمبر 2021 ، التواصل مع الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27006-z


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button