Voisiko nanosiruja valmistaa lähellä atomitasoa

Milanon ja Göttingenin yliopistoissa työskentelevä Alessio Zaccone on tutkinut mitä tapahtuu kun piimateriaali ohenee alle 10 nanometriin.

Kaksiulotteisia (2D) materiaaleja voitaisiin käyttää seuraavan sukupolven elektroniikan rakentamiseen mutta kun elektroniikan materiaalit, kuten pii, kutistetaan, sen energiatehokkuus kärsii. Jos piikalvon paksuus on noin 20–30 nanometriä, elektronit alkavat törmätä kalvon reunoihin, mikä lisää resistiivisyyttä ja lisää energian hävikkiä.

Tutkimusartikkelissaan Zaccone osoittaa, että asiat menevät vielä hankalammiksi kun paksuus pienenee alle 10 nanometrin, koska aiheeseen liittyy uusi vaikutus.

Tämä uusi vaikutus johtuu elektronien kvanttirajoituksesta.

Kvanttirajoituksella tarkoitan ilmiötä, jossa kvanttihiukkasen – kuten elektronin – energia kasvaa merkittävästi, kun sen liikettä rajoitetaan avaruudellisesti. Tämä vaikutus johtuu Heisenbergin epävarmuusperiaatteesta: Mitä tarkemmin hiukkasen sijainti on rajoitettu, sitä suurempi on sen liikemäärän epävarmuus, mikä johtaa suurempiin energian vaihteluihin selvittää Zaccone.

Olen viime aikoina alkanut systemaattisesti tutkia kvanttirajoituksen vaikutuksia kvanttihiukkasten (elektronien, fononien) energiaan todellisten materiaalien ominaisuuksiin geneerisen matemaattisen mallin avulla.

Jälkimmäinen ottaa huomioon, että elektronit ovat kvanttimekaniikan mukaan samanaikaisesti hiukkasia ja aaltoja, mikä tarkoittaa, että ohuen levyn miniatyrisoidussa rajoituksessa sallitaan vain materiaalin rajoitetun tilan kanssa yhteensopivia aallonpituuksia.

Ultraohuissa piilevyissä, kun elektronit puristetaan ohuempaan tilaan, niiden energia kasvaa kvanttirajoituksen vuoksi. Toisaalta elektronien energisoituessa kaistaero, joka erottaa valenssielektroneja vapaasti liikkuvista elektroneista, kasvaa. Kaistaeron kasvu johtaa siten sähkön johtamiseen käytettävissä olevien vapaiden elektronien pitoisuuden laskuun, mikä johtaa sitten resistiivisyyden kasvuun.

Tässä artikkelissa esittämäni uusi matemaattinen teoria osoittaa, että tämä resistiivisyyden kasvu kalvon paksuutta pienennettäessä on melko dramaattinen (se on eksponentiaalinen kasvu kalvon paksuuden pienentyessä) ja pystyy selittämään viimeaikaiset kokeelliset tiedot osoittaen selvästi ennustetun eksponentiaalisen kasvun, kun paksuus laskee alle 10 nanon

Hyvä uutinen on, että teoriani selittää että tätä dramaattista resistiivisyyden kasvua voitaisiin lieventää säätämällä piin nanokalvojen vapaiden elektronien pitoisuutta esimerkiksi dopingilla.

Tällä löydöllä voi olla merkittäviä vaikutuksia seuraavan sukupolven elektroniikkaan tarjoamalla uusia tapoja valmistaa nanosiruja lähellä atomitasoa.

Artikkelinsa lopuksi hän toteaa, että nämä tulokset tasoittavat tietä nanometrin paksuisten uuden sukupolven mikrosirujen järkevälle ymmärtämiselle ja suunnittelulle "2 nm:n prosessin" puitteissa, ja sillä on laajat sovellukset kvanttiohjatusta logiikasta ja kubittisuunnittelusta aurinkoenergiaan.

Aiheesta aiemmin:

Valon hienosäätöä nanopisteillä

Nanomittakaavan transistoreita

Kvanttirajaus parantaa lämpösähköilmiötä