Près de 1, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain, les nanofils ne peuvent être compris qu'avec la mécanique quantique. En utilisant des modèles quantiques, Des physiciens de la Michigan Technological University ont découvert ce qui détermine l'efficacité d'un transistor à nanofils cœur-coquille silicium-germanium (Si-Ge).

Nanofils Core-Shell

L'étude, publié la semaine dernière dans Lettres nano , se concentre sur l'effet tunnel quantique dans une structure de nanofils cœur-coquille. Ranjit Pati, professeur de physique à Michigan Tech, a dirigé les travaux avec ses étudiants diplômés Kamal Dhungana et Meghnath Jaishi.

Les nanofils noyau-coque sont comme une version beaucoup plus petite du câble électrique, où la région du noyau du câble est constituée d'un matériau différent de celui de la région de la coque. Dans ce cas, le noyau est en silicium et la coque est en germanium. Le silicium et le germanium sont tous deux des matériaux semi-conducteurs. Être si mince, ces nanofils semi-conducteurs noyau-coque sont considérés comme des matériaux unidimensionnels qui présentent des propriétés physiques uniques.

La disposition des atomes dans ces nanofils détermine la façon dont les électrons les traversent, Pati explique, ajoutant qu'une compréhension plus complète de la physique qui pilote ces transistors nanométriques pourrait conduire à une efficacité accrue des appareils électroniques.

"Les performances d'un transistor hétérogène à nanofils silicium-germanium sont bien meilleures qu'un nanofil homogène de silicium, " dit Pati. " Dans notre étude, nous avons démêlé les phénomènes quantiques responsables de ses performances supérieures."

Transistors à effet de champ

Les transistors alimentent notre monde numérique. Et ils étaient autrefois grands, ou du moins assez grands pour que les gens puissent les voir. Avec les progrès de la nanotechnologie et de la science des matériaux, les chercheurs ont pu minimiser la taille et maximiser le nombre de transistors pouvant être assemblés sur une micropuce.

Le transistor particulier sur lequel Pati a travaillé est un transistor à effet de champ (FET) composé de nanofils noyau-coque. Il manipule le courant électrique dans le canal du nanofil en utilisant une polarisation de grille. Tout simplement, une polarisation de porte affecte le courant électrique dans le canal comme une vanne contrôle le débit d'eau dans un tuyau. La polarisation de grille produit un effet de champ électrostatique qui induit un comportement de commutation dans le courant de canal. Le contrôle de ce champ peut allumer ou éteindre l'appareil, un peu comme un interrupteur.

Plusieurs groupes ont fabriqué avec succès des FET à nanofils cœur-coquille et ont démontré leur efficacité par rapport aux transistors actuellement utilisés dans les microprocesseurs. Ce que Pati et son équipe ont examiné, c'est la physique quantique à l'origine de leurs performances supérieures.

Tunneling quantique

Le courant électrique entre la source et le drain dans un FET à nanofils ne peut pas être compris en utilisant la physique classique. C'est parce que les électrons font des choses étranges à une si petite échelle.

« Imaginez un poisson piégé dans un aquarium ; si le poisson a assez d'énergie, il pourrait sauter par-dessus le mur, " dit Pati. " Imaginez maintenant un électron dans le réservoir :s'il a assez d'énergie, l'électron pourrait sauter, mais même s'il n'a pas assez d'énergie, l'électron peut tunnel à travers les parois latérales, il y a donc une probabilité finie que nous trouvions un électron à l'extérieur du réservoir."

C'est ce qu'on appelle l'effet tunnel quantique. Pour Pati, capter l'électron en action à l'intérieur des transistors à nanofils est la clé pour comprendre leurs performances supérieures. Lui et son équipe ont utilisé ce qu'on appelle une approche de transport quantique des premiers principes pour savoir ce qui fait que les électrons pénètrent efficacement dans les nanofils cœur-coquille.

L'effet tunnel quantique des électrons - un jeu de marelle à l'échelle atomique - est ce qui permet aux électrons de se déplacer à travers les matériaux nanofilaires reliant la source et le drain. Et le mouvement devient plus spécifique que cela :les électrons sautent presque exclusivement à travers la coquille de germanium mais pas à travers le noyau de silicium. Ils le font à travers les orbitales pz alignées du germanium.

Tout simplement, ces orbitales, qui sont des régions en forme d'haltères à forte probabilité de trouver un électron, sont des plates-formes d'atterrissage parfaites pour l'effet tunnel des électrons. L'alignement spécifique, codé par couleur dans le schéma ci-dessus, rend le tunnel quantique encore plus facile. C'est comme la différence entre essayer de creuser dans un puits avec des murs d'acier et des murs de sable. L'alignement serré des orbitales pz dans la couche de germanium permet aux électrons de passer d'un atome à un autre, créant un courant électrique beaucoup plus élevé lorsqu'il est allumé. Dans le cas de nanofils de silicium homogènes, il n'y a pas d'alignement serré des orbitales pz, ce qui explique pourquoi ce sont des FET moins efficaces.

Les nanofils en électronique

Il existe de nombreuses utilisations potentielles des FET à nanofils. Pati et son équipe écrivent dans leur article Nano Letters qu'ils "s'attendent à ce que la compréhension du niveau orbital électronique acquise dans cette étude s'avère utile pour la conception d'une nouvelle génération de FET à nanofils noyau-coque".

Spécifiquement, avoir une structure hétérogène offre un contrôle de mobilité supplémentaire et des performances supérieures par rapport à la génération actuelle de transistors, en plus de la compatibilité avec la technologie silicium existante. Les FET à nanofils cœur-coquille pourraient transformer notre avenir en rendant les ordinateurs plus puissants, téléphones et appareils portables plus intelligents, des voitures plus interconnectées et des réseaux électriques plus efficaces. La prochaine étape consiste simplement à faire un petit saut quantique.