Uusi resepti yhden atomin transistoreille

Taiteilijan kuvaus osasta NIST:ssä kehitettyä menetelmää yhden atomin transistorien valmistamiseksi.

Jos transistorit koostuvat vain muutamien atomien ryhmistä tai jopa yhdestä atomista, ne lupailevat uuden sukupolven tietokoneita, joilla on vertaansa vailla olevaa muisti ja prosessointiteho.

Mutta näin pienten transistorien hyödyntämiseksi tutkijoiden on löydettävä tapa tehdä useita kopioita näistä vaikeasti valmistettavista komponenteista.

Nyt National Institute of Standards and Technologyn (NIST) tutkijat ja heidän kollegansa Marylandin yliopistosta ovat kehittäneet reseptin atomimittaisten transistorirakenteiden tuottamiseksi. NIST:n johtamasta ryhmästä on siten tullut vasta toinen maailmassa, joka rakentaa yhden atomin transistorin ja ensimmäinen, joka valmistaa sarjan yksittäisiä elektronitransistoreita, joiden atominen mittakaava ohjaa laitteen geometriaa.

Tieteilijät osoittivat pystyvänsä säätämään tarkasti nopeutta, jolla yksittäiset elektronit virtaavat transistorissaan olevan fyysisen raon tai sähköisen esteen läpi kvanttitunneloinnin avulla.

Tarkka kvanttitunneloinnin hallinta on avainasemassa, koska se mahdollistaa transistorien "lomittumisen" tai yhdistämisen tavalla, joka on mahdollista vain kvanttimekaniikan avulla. Tämä avaa uusia mahdollisuuksia kvanttilaskennan kubittien luomiseen.

Yhden atomin ja muutaman atomin transistorien valmistamiseksi ryhmä luottaa tekniikkaan, jossa piisiru peitetään vetyatomien kerroksella. Skannaavan tunnelimikroskoopin kärjellä poistetaan sitten vetyatomit valituista kohdista. Jäljellä jäänyt vety toimi esteenä piin pinnalle ohjatulle fosfiinikaasulle (PH3). Yksittäiset PH3 -molekyylit kiinnittyvät kohtiin joista vety on poistettu.

Sitten tutkijat kuumensivat piipintaa. PH3:n vetyatomeista siirtynyt lämpö sai paikalle jääneen fosforiatomin hautautumisen piikerrokseen. Lisäprosessoinnin avulla näin sitoutuneet fosforiatomit loivat perustan sarjalle erittäin vakaita yhden tai muutaman atomin rakenteita, joilla on potentiaalia toimia kubitteina.

Kaksi NIST-ryhmien suunnitteleman menetelmän vaiheesta - fosforiatomien sulkeminen suojaavilla piikerroksilla ja sitten sähköisen kontaktin muodostaminen upotettuihin atomeihin näyttävät olevan välttämättömiä luotettavien atomisesti tarkkojen rakenteiden monien kopioiden valmistukselle, uskoo NIST-tutkija Richard Silver.

Aikaisemmin tutkijat ovat tyypillisesti käyttäneet lämpöä kaikkien piikerrosten kasvatuksessa mutta nyt pääteltiin, että kuumennus saattaisi häiritä atomista rakennetta. Sen sijaan nyt saostettiin ensin useita piikerroksia huoneenlämpötilassa, jolloin fosforiatomit pysyivät paikoillaan lämpökäsittelyssä. Jopa yksittäisen atomin siirtyminen paikaltaan voi muuttaa atomististen sähkökomponenttien johtavuutta ja muita ominaisuuksia.

Ryhmä kehitti myös uuden tekniikan tuottaa sähköinen kontakti haudattujen atomien kanssa. Suoraan piihin upotettujen komponenttien yläpuolelle he levittivät palladiummetallia. Lämmitettäessä se reagoi piin kanssa muodostaen sähköä johtava seoksen, nimeltään palladiumsilidi, joka tunkeutui luonnollisesti piin läpi ja sai aikaan kontaktin fosforiatomien kanssa.

Tutkijat korostavat, että heidän kontaktimenetelmällä on lähes 100 % onnistumisprosentti. Se on tärkeä saavutus, toteaa Jonathan Wyrick. "Sinulla voi olla paras yhden atomin transistorirakenne maailmassa, mutta jos et saa siihen kontaktia, se on turha".

Aiheesta aiemmin:

Kytkentöjä atomilla ja molekyylillä

Valon kytkentää yhdellä atomilla