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研究人员开发了没有半导体的晶体管

时间:2021-05-26 15:52:13 来源:

电子在氮化硼纳米管上闪过一系列金量子点。密歇根理工学院的科学家们制造了量子隧道装置,该装置在室温下就像晶体管一样工作,而无需使用半导体材料。轭钦叶图形。

通过在纳米氮化硼纳米管的顶部放置纳米尺寸的金量子点,密歇根理工学院的研究人员创造了一种量子隧道器件,该器件在室温下的行为类似于晶体管,而无需使用半导体材料。

几十年来,电子设备变得越来越小。现在甚至可以在一个硅芯片上放置数百万个晶体管(甚至是例行程序)。

但是基于半导体的晶体管只能变得如此之小。密歇根理工大学的物理学家Yoke Khin Yap说:“以目前的技术发展速度,在10或20年内,它们将无法缩小任何尺寸。”“此外,半导体还有另一个缺点:它们以热量的形式浪费了很多能量。”

科学家们一直在使用诸如硅之类的半导体,对晶体管的不同材料和设计进行实验,以解决这些问题。早在2007年,Yap便想尝试一些不同的方法,这可能会开启电子新时代的大门。

他说:“这个想法是要制造一个使用纳米级绝缘体,顶部是纳米级金属的晶体管。”“原则上,如果操作正确的话,您可以得到一块塑料,并在上面铺上少量金属粉末,以制造出这些设备。但是我们试图以纳米级创建它,因此我们选择了纳米级绝缘体,氮化硼纳米管或BNNT作为衬底。”

Yap的团队已经决定了如何制作BNNT的虚拟地毯,这些地毯恰好是绝缘体,因此对电荷具有很高的抵抗力。然后,该团队使用激光在BNNT的顶部放置了一个小至3纳米的金量子点(QD),形成了QD-BNNT。BNNT由于其小,可控制和均匀的直径以及它们的绝缘特性,因此是这些量子点的理想衬底。BNNT限制了可以沉积的点的大小。

在橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家的合作下,他们在室温下在QDs-BNNTs的两端发射了电极,结果发生了一些有趣的事情。电子从金点到金点的跳变非常精确,这种现象称为量子隧穿。

想象一下,纳米管是一条河,每条河岸上都有一个电极。现在想象一下河上一些很小的垫脚石。 Yap说。电子在金垫脚石之间跳来跳去。石头是如此之小,一次只能在石头上获得一个电子。每个电子都以相同的方式通过,因此该设备始终稳定。

Yap的团队制造了没有半导体的晶体管。当施加足够的电压时,它切换到导通状态。当电压低或关闭时,它会恢复为绝缘体的自然状态。

此外,没有“泄漏”:没有金点的电子逸出到绝缘的BNNT中,从而使隧道沟道保持凉爽。相反,硅容易泄漏,这浪费了电子设备中的能量并产生大量的热量。

密歇根理工大学物理学家约翰·贾斯扎克说,其他人也制造了利用量子隧道的晶体管,他为Yap的实验研究开发了理论框架。然而,那些隧道设备仅在会妨碍典型的手机用户的条件下工作。

Jaszczak说:“它们仅在液氦温度下工作。”

Yap金纳米管装置的秘密在于其亚显微尺寸:1微米长,约20纳米宽。Jaszczak说:“金岛的宽度必须达到纳米级,才能在室温下控制电子。”“如果它们太大,那么太多的电子可以流动。”在这种情况下,越小越好:“使用纳米管和量子点可使您达到电子设备所需的规模。”

Yap说:“理论上,当电极之间的距离减小到一微米的一小部分时,这些隧穿通道可以最小化为几乎零尺寸。”

Yap已为该技术申请了完整的国际专利。

他们的工作在6月17日在线发表在“高级材料”上的文章“用金量子点功能化的氮化硼纳米管的室温隧穿行为”中进行了描述。除Yap和Jaszczak之外,合著者还包括研究科学家Zhang Dongyan,博士后研究员Chee Huei Lee和Wang Jiesheng,以及密歇根理工学院的研究生Madhusudan A. Savaikar,Boyi Hao和Douglas Banyai。 ORNL纳米相材料科学中心的秦胜勇,Kendal W. Clark和Li An-Ping;以及ORNL材料科学与技术部门的Juan-Carlos Idrobo。

这项工作由美国能源部基础能源科学办公室资助(奖号DE-FG02-06ER46294,PI:Y.K。Yap),部分在ORNL进行(CNMS2009-213和CNMS2012-083项目,PI:Y.K. Yap)。

出版物:Chee Huei Lee等人,“用金量子点功能化的氮化硼纳米管的室温隧穿行为”,《先进材料》,2013年; DOI:10.1002 / adma.201301339

图像:轭钦叶


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