Przełom może pomóc w opracowaniu nowych półprzewodników o niskim poborze mocy lub urządzeń kwantowych.
W miarę jak układy scalone zasilające nasze urządzenia elektroniczne stają się coraz bardziej wydajne, są one również coraz mniejsze. Ten trend w mikroelektronice przyspieszył w ostatnich latach, ponieważ naukowcy próbują zmieścić coraz więcej elementów półprzewodnikowych na chipie.
Mikroelektronika stoi przed kluczowym wyzwaniem ze względu na swój niewielki rozmiar. Aby uniknąć przegrzania, mikroelektronika musi zużywać tylko ułamek energii elektrycznej konwencjonalnej elektroniki, jednocześnie działając z maksymalną wydajnością.
Naukowcy z amerykańskiego Departamentu Energii (DOE) Argonne National Laboratory osiągnęli przełom, który może pozwolić na nowy rodzaj materiału mikroelektronicznego, który właśnie to robi. W nowym badaniu opublikowanym w Advanced Materials, Zespół Argonne zaproponował nowy rodzaj techniki „bramkowania redoks”, która może kontrolować ruch elektronów do i z materiału półprzewodnikowego.
„Redox” odnosi się do reakcji chemicznej, która powoduje transfer elektronów. Urządzenia mikroelektroniczne zazwyczaj opierają się na elektrycznym „efekcie pola”, aby kontrolować przepływ elektronów do działania. W eksperymencie naukowcy zaprojektowali urządzenie, które może regulować przepływ elektronów z jednego końca do drugiego poprzez przyłożenie napięcia – zasadniczo rodzaj ciśnienia, które popycha elektryczność – do materiału, który działał jak rodzaj bramki elektronowej. Gdy napięcie osiągało określony próg, około pół wolta, materiał zaczynał wstrzykiwać elektrony przez bramkę z materiału źródłowego redoks do materiału kanałowego.
Wykorzystując napięcie do modyfikacji przepływu elektronów, urządzenie półprzewodnikowe mogłoby działać jak tranzystor, przełączając się między stanami bardziej przewodzącymi i bardziej izolującymi.
„Nowa strategia bramkowania redoks pozwala nam modulować przepływ elektronów w ogromnym stopniu nawet przy niskim napięciu, oferując znacznie większą wydajność energetyczną” – powiedział Dillon Fong, naukowiec zajmujący się materiałami Argonne, autor badania. „Zapobiega to również uszkodzeniom systemu. Widzimy, że materiały te mogą być wielokrotnie poddawane cyklom bez prawie żadnego pogorszenia wydajności”.
„Kontrolowanie właściwości elektronicznych materiału ma również znaczące zalety dla naukowców poszukujących nowych właściwości wykraczających poza konwencjonalne urządzenia” – powiedział Wei Chen, naukowiec zajmujący się materiałami w Argonne, jeden ze współautorów badania.
„Reżim podnapięciowy, w którym działa ten materiał, jest niezwykle interesujący dla naukowców poszukujących obwodów działających podobnie do ludzkiego mózgu, który również działa z dużą wydajnością energetyczną” – powiedział.
Zjawisko bramkowania redoks może być również przydatne do tworzenia nowych materiałów kwantowych, których fazami można manipulować przy niskiej mocy, powiedział fizyk Argonne Hua Zhou, inny współkorespondujący autor badania. Co więcej, technika bramkowania redoks może rozciągać się na wszechstronne funkcjonalne półprzewodniki i niskowymiarowe materiały kwantowe złożone ze zrównoważonych pierwiastków.
Prace wykonane w Argonne’s Advanced Photon Source, ośrodku użytkownika DOE Office of Science, pomogły scharakteryzować zachowanie bramkowania redoks.
Dodatkowo, Centrum Materiałów Nanoskalowych Argonne, również należące do DOE Office of Science, zostało wykorzystane do syntezy materiałów, produkcji urządzeń i pomiarów elektrycznych urządzenia.
Artykuł oparty na badaniu, „Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control”, ukazał się w wydaniu Advanced Materials z 6 stycznia 2024 roku.. Oprócz Fonga, Chena i Zhou, wśród autorów są Le Zhang, Changjiang Liu, Hui Cao, Andrew Erwin, Dillon Fong, Anand Bhattacharya, Luping Yu, Liliana Stan, Chongwen Zou i Matthew V. Tirrell.
Prace zostały sfinansowane przez DOE’s Office of Science, Office of Basic Energy Sciences oraz Argonne’s laboratory-directed research and development program.