Uusi haastaja piille

Piillä on jo muutamia kilpailijoita tulevaisuuden elektroniikan materiaaliksi ja uusia on tulossa.

Kvanttimateriaalilla jota kutsutaan korreloivaksi oksidisi, Harvardin tutkijat ovat saavuttaneet transistorin toiminnassa on/off-suhteen 10⁵, joka on verrattavissa parhaimpiin piitransistoreihin.

Uudenlainen transistori on työstetty samariumin-nickelate -oksidista. Korreloivat oksidit voivat toimia huoneenlämmössä ja kuumemmassakin, joten niitä olisi helppo integroida nykyisiin elektronisiin laitteisiin ja valmistusmenetelmiin.

Materiaalitutkijat ovat tutkineet korreloivien oksidien perhettä jo vuosia tavoitteenaan vakiinnuttaa materiaalien fyysiset ominaisuudet. Nyt on löydetty tapoja seostaa niitä, jolloin voidaan säädellä sitä missä määrin se vastustaa tai johtaa sähköä.

Seostus saa perinteisesti tämän muutoksen aikaan lisäämällä käytettävissä olevien elektronien määrää, mutta tässä tutkimuksessa Harvardin ryhmä muokkaa kaistaeroa, joka on energiaeste elektronien kululle.

Tässä tapauksessa vedyn tai litiumin avulla voidaan laajentaa tai kaventaa kaistaeroa. Se on täysin erilainen lähestymistapa kuin käytetään muissa puolijohteissa.

Tällaisessa kiertoradan (orbital transistor) transistorissa, protonit ja elektronit ohjaillaan sisään tai pois perovskiitti nickelatesta (SmNiO3) sähkökentän avulla. Koska kyseessä on faasimuutokseen perustuva ratkaisu käyttötehon poistuessakin materiaaliin jää sen hetkinen tila.

Toisin kuin pii, korreloivat oksidit ovat kvanttimateriaaleja, eli kvanttimekaanisella vuorovaikutuksilla on dominoiva vaikutus materiaalin ominaisuuksille - eikä vain pienuudella sinänsä.

- Jos kaksi elektronia on viereisissä orbitaaleissa eivätkä ne ole täysin täyttyneet, niin perinteisessä materiaalissa elektronit voivat siirtyä kiertoradalta toiselle. Mutta korreloivissa oksideissa, elektronit torjuvat toisiaan niin paljon, että ne eivät voi liikkua.

- Orbitaalien täyttöaste ja elektronien kyky liikkua kiteessä ovat hyvin läheisesti sidoksissa toisiinsa, eli ne korreloivat. Pohjimmiltaan tämä on se, mikä sanelee, josko materiaali käyttäytyy kuin eriste tai metalli, toteaa tutkimusta johtanut Shriram Ramanathan yliopistonsa tiedotteessa.

Kaistaeron avaamisen ja sulkemisen avulla voi manipuloida tapaa, jolla sähkömagneettinen säteily vuorovaikuttaa tällaisen materiaalin kanssa eli sähkökentän avulla voi esimerkiksi dynaamisesti ohjata, kuinka valo vuorovaikuttaa materiaalin kanssa

Tutkijoiden mukaan tästä voisi kypsyä jännittävä laitealusta joskus ensi vuosikymmenellä.

Havainnot syntyivät itse asiassa laboratoriossa, jossa yleensä tutkitaan polttokennoja. Tutkijoiden perehtyneisyys ohutkalvoihin ja ionisiirtoihin johdatti heidät hyödyntämään kemiaa, lämpötilan sijaan, ja saavuttaa sitä kautta dramaattinen tulos.

Oheisessa kuvassa valmistuksen hehkutusmenetelmä injektoi vetyioneja SNO- ja BYZ-kerroksien ohutkalvoon. Käytön aikana, sähkökenttä siirtää varauksia kerroksesta toiseen ja elektronien kulku tai kulkemattomuus moduloi SNO:n kaista-aukkoa, jolloin tapahtuu hyvin dramaattinen muutos johtavuudessa.