نانومواد

مواد دو بعدی برای ترانزیستورهای اثر میدان با مقیاس فوق العاده

مواد دو بعدی برای ترانزیستورهای اثر میدان با مقیاس فوق العاده

 

مواد دو بعدی برای ترانزیستورهای اثر میدان با مقیاس فوق العاده
در اطراف آن مجموعه ای از مواد ۲ بعدی قرار گرفته است که مورد بررسی قرار گرفته است. اعتبار: ماتیو لوئیزیر / ETH زوریخ

مواد دو بعدی برای ترانزیستورهای اثر میدان با مقیاس فوق العاده با کوچک شدن بیشتر اجزای الکترونیکی ، محققان با عوارض جانبی نامطلوبی دست و پنجه نرم می کنند: در مورد ترانزیستورهای در مقیاس نانومتر ساخته شده از مواد معمولی مانند سیلیکون ، اثرات کوانتومی رخ می دهد که عملکرد آنها را مختل می کند. به عنوان مثال ، یکی از این تأثیرات کوانتومی ، جریان نشتی اضافی است ، یعنی جریاناتی که “گمراه” می شوند و نه از طریق هادی ارائه شده بین مخاطب منبع و تخلیه. بنابراین اعتقاد بر این است که قانون مقیاس گذاری مور ، که می گوید تعداد مدارهای مجتمع در واحد سطح هر ۱۲-۱۸ ماه دو برابر می شود ، در آینده نزدیک به دلیل چالش های فزاینده مرتبط با کوچک سازی اجزای فعال آنها ، به محدودیت های خود خواهد رسید. این در نهایت به این معنی است که ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون که در حال حاضر ساخته می شوند – FinFET نامیده می شوند و تقریباً همه ابر رایانه ها را تجهیز می کنند – به دلیل اثرات کوانتومی دیگر نمی توانند خودسرانه کوچکتر شوند.

چراغهای دو بعدی امید

دانشکده ها : با این حال ، یک مطالعه جدید توسط محققان ETH Zurich و EPF لوزان نشان می دهد که می توان با مواد جدید دو بعدی (۲-D) این مشکل را برطرف کرد – یا حداقل این همان شبیه سازی هایی است که آنها انجام داده اند ” ابر رایانه Piz Daint پیشنهاد می کند.

گروه تحقیق به سرپرستی ماتیو لوئیزیر از انستیتوی سیستم های یکپارچه (IIS) در ETH زوریخ و نیکولا مرزاری از EPF لوزان ، از نتایج تحقیقاتی که مرزاری و تیمش قبلاً به دست آورده بودند ، به عنوان پایه ای برای شبیه سازی های جدید خود استفاده کردند: در سال ۲۰۱۸ ، ۱۴ سال پس از کشف گرافن ، برای اولین بار روشن شد که دو می توان مواد بعدی تولید کرد ، آنها از شبیه سازی های پیچیده “Piz Daint” برای الک کردن استخر بیش از ۱۰۰۰۰۰ ماده استفاده کردند. آنها ۱۸۲۵ م promلفه امیدوار کننده را استخراج کردند که می توان از آنها لایه های ۲ بعدی تهیه کرد.

محققان از بین این بیش از ۱۸۰۰ ماده ۱۰۰ نامزد را انتخاب کردند که هر کدام از آنها از یک لایه اتم تشکیل شده است و می تواند برای ساخت ترانزیستورهای اثر مقیاس با مقیاس فوق العاده (FET) مناسب باشد. آنها اکنون خصوصیات خود را در زیر میکروسکوپ “ab initio” بررسی کرده اند. به عبارت دیگر ، آنها از ابر رایانه CSCS “Piz Daint” استفاده کردند تا ابتدا ساختار اتمی این مواد را با استفاده از تئوری تابعی تراکم (DFT) تعیین کنند. سپس آنها این محاسبات را با به اصطلاح حل کننده حمل و نقل کوانتومی ترکیب کردند تا جریان الکترون و سوراخ را از طریق ترانزیستورهای تولید شده تقریباً شبیه سازی کنند. شبیه ساز حمل و نقل کوانتومی مورد استفاده توسط لوئیزیر همراه با یک تیم تحقیقاتی دیگر ETH ساخته شد و به روش اصلی جایزه گوردون بل در سال ۲۰۱۹ اعطا شد.

یافتن کاندیدای دو بعدی بهینه

عامل تعیین کننده برای ماندگاری ترانزیستور این است که آیا جریان می تواند توسط یک یا چند تماس گیت بهینه کنترل شود. به لطف طبیعت فوق العاده نازک مواد ۲-D – معمولاً نازک تر از یک نانومتر – یک تماس تک دروازه می تواند جریان الکترون و جریان سوراخ را تعدیل کند ، بنابراین ترانزیستور را کاملاً خاموش و روشن می کند.

ساختار FET تک دروازه با کانال ساخته شده از مواد ۲ بعدی. در اطراف آن مجموعه ای از مواد ۲ بعدی قرار گرفته است که مورد بررسی قرار گرفته است. (ماتیو لوئیزیر / ETH زوریخ)

“لوئیزیر تأکید می کند:” اگرچه همه مواد ۲ بعدی از این خاصیت برخوردارند ، اما همه آنها به کاربردهای منطقی وام نمی دهند ، “فقط آنهایی که به اندازه کافی بین نوار ظرفیت و باند هدایت فاصله دارند.” مواد دارای شکاف باند مناسب از اثرات به اصطلاح تونلی الکترون ها و در نتیجه جریان نشتی ناشی از آنها جلوگیری می کنند. دقیقاً این مواد است که محققان در شبیه سازی های خود به دنبال آن بودند.

هدف آنها یافتن مواد ۲ بعدی بود که بتواند جریان بیشتر از ۳ میلی آمپر در هر میکرومتر را تأمین کند ، هم به عنوان ترانزیستورهای نوع n (انتقال الکترون) و هم به عنوان ترانزیستورهای نوع p (انتقال سوراخ) ، و طول کانال آنها می تواند به اندازه ۵ نانومتر کوچک باشید بدون اینکه اختلال در رفتار سوئیچینگ ایجاد شود. لوئیزیر می گوید: “فقط در صورت تحقق این شرایط ، ترانزیستورهای مبتنی بر مواد دو بعدی می توانند از Si FinFET معمولی پیشی بگیرند.”

توپ اکنون در زمین محققان تجربی است

با در نظر گرفتن این جنبه ها ، محققان ۱۳ ماده احتمالی ۲ بعدی را شناسایی کردند که می توان با آنها ترانزیستورهای آینده ساخت و همچنین می تواند ادامه قانون مقیاس گذاری مور را امکان پذیر کند. برخی از این مواد از قبل شناخته شده اند ، به عنوان مثال فسفر سیاه یا HfS2 ، اما لوئیزیر تأکید می کند که سایر مواد کاملاً جدید هستند – ترکیباتی مانند Ag2N6 یا O6Sb4.

“ما به لطف شبیه سازی های خود یکی از بزرگترین پایگاه های داده ای از مواد ترانزیستور را ایجاد کرده ایم. با این نتایج ، ما امیدواریم که تجربیاتی را که با مواد دو بعدی کار می کنند انگیزه دهیم تا بلورهای جدید را لایه برداری کرده و سوئیچ های منطقی نسل بعدی را ایجاد کنند.” استاد ETH. گروه های تحقیقاتی به سرپرستی لوئیزیر و مرزاری در مرکز ملی صلاحیت در تحقیقات (NCCR) MARVEL همکاری نزدیک دارند و اکنون آخرین نتایج مشترک خود را در مجله ACS Nano منتشر کرده اند. آنها اطمینان دارند که ترانزیستورها بر اساس این مواد جدید می تواند جایگزین موارد ساخته شده از سیلیکون یا از dichalcogenides فلز انتقالی در حال حاضر محبوب است.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

نوشته های مشابه

دکمه بازگشت به بالا