Wetenskaplikes skep nuwe resep vir 'n enkel-atoom transistors

Nou het navorsers by die Nasionale Instituut van Standaarde en Tegnologie (NIST) en hul kollegas by die Universiteit van Maryland het 'n stap-vir-stap resep om die atoom-skaal toestelle vervaardig ontwikkel. Die gebruik van hierdie instruksies, het die NIST gelei span geword slegs die tweede in die wêreld na 'n enkel-atoom transistor en die eerste van 'n reeks van enkele elektron transistors met atoom-skaal beheer oor meetkunde die toestelle se fabriseer bou.

Die wetenskaplikes het getoon dat hulle juis die tempo waarteen individuele elektrone vloei deur 'n fisiese gaping of elektriese versperring in hul transistor kan aanpas, selfs al is die klassieke fisika die elektrone sal verbied om dit te doen omdat hulle nie genoeg energie. Wat streng kwantum verskynsel, bekend as kwantum tunneling, raak net belangrik wanneer gapings is uiters klein, soos in die miniatuur transistors. Presiese beheer oor kwantum tunneling is die sleutel, want dit in staat stel om die transistors om "verstrengel" of met mekaar verbind op 'n manier net moontlik deur kwantummeganika geword en open nuwe moontlikhede vir die skep van kwantum stukkies (qubits) wat gebruik kan word in quantum computing.

Om enkel-atoom en 'n paar-atoom transistors te vervaardig, die span het staatgemaak op 'n bekende tegniek waarin 'n silikonskyfie is bedek met 'n laag van waterstofatome, wat geredelik aan silikon bind. Die fyn punt van 'n scanning tunneling mikroskoop dan verwyder waterstofatome by uitgesoekte plekke. Die oorblywende waterstof opgetree as 'n versperring sodat wanneer die span gerig fosfien gas (PH3) by die silikon oppervlak, individuele PH3 molekules aangeheg net aan die plekke waar die waterstof verwyder is (sien animasie). Die navorsers dan verhit die silikon oppervlak. Die hitte vrygestel waterstofatome van die PH3 en het veroorsaak dat die fosfor atoom wat agter om self in te sluit in die oppervlak gelaat. Met bykomende verwerking, gebonde fosfor atome het die fondament van 'n reeks van hoogs stabiele enkel- of min-atoom toestelle wat die potensiaal het om te dien as qubits het.

Twee van die stappe in die metode uitgedink deur die NIST spanne verseël in teenwoordigheid van die fosfor atome met beskermende lae van silikon en dan maak elektriese kontak met die ingeboude atome, blyk te gewees noodsaaklik moet betroubaar ivm baie kopieë van atomies presiese toestelle, NIST navorser Richard silwer gesê.

In die verlede, het navorsers gewoonlik toegepas hitte as al die silikon lae gekweek, ten einde tekortkominge te verwyder en seker te maak dat die silikon het die suiwer kristalstruktuur wat nodig is om die enkel-atoom toestelle met konvensionele silikon-chip elektriese komponente te integreer. Maar die NIST wetenskaplikes het bevind dat so 'n verwarming die gebonde fosfor atome kon verdryf en potensieel ontwrig die struktuur van die atoom-skaal toestelle. In plaas daarvan, die span gedeponeer die eerste paar silikon lae by kamertemperatuur, sodat die fosfor atome om te bly sit. Net vir die daaropvolgende lae gedeponeer het die span toe te pas hitte.

"Ons glo ons metode van die toepassing van die lae bied meer stabiel en presiese atoom-skaal toestelle," het Silver. Met selfs 'n enkele atoom uit plek kan die geleiding en ander eienskappe van elektriese komponente wat enkel of klein trosse atome funksie verander.

Die span het ook ontwikkel 'n nuwe tegniek vir die belangrike stap van die maak van elektriese kontak met die begrawe atome sodat hulle kan funksioneer as deel van 'n kring. Die NIST wetenskaplikes liggies verhit 'n laag palladium metaal toegepas op spesifieke gebiede op die silikon oppervlak wat direk hierbo gekies komponente van die silikon ingesluit toestel gewoon. Die verhitte palladium het gereageer met die silikon om 'n elektries geleidende allooi genoem palladium silicide, wat natuurlik binnegedring deur die silikon en kontak gemaak met die fosfor atome te vorm.

In 'n onlangse uitgawe van Advanced Funksionele Materiale, Silver en sy kollegas, wat insluit Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr en Curt Richter, het daarop gewys dat hulle kontak metode het 'n koers byna 100% sukses. Dit is 'n belangrike prestasie, opgemerk Wyrick. "Jy kan die beste enkel-atoom-transistor toestel in die wêreld het, maar as jy nie kontak kan maak met dit, dit is nutteloos," het hy gesê.

Vervaardiging enkel-atoom transistors "is 'n moeilike en ingewikkelde proses wat dalk almal moet hul tande op te sny, maar ons het die stappe so uitgelê dat ander spanne nie hoef te gaan deur trial and error," sê Richter.

In verwante werk vandag gepubliseer in Communications fisika, Silver en sy kollegas het getoon dat hulle juis die tempo waarteen individuele elektrone tonnel deur atomies presiese tonnel hindernisse in enkel-elektron transistors kan beheer. Die NIST navorsers en hul kollegas vervaardigde n reeks van enkel-elektron transistors identies in elke opsig behalwe vir verskille in die grootte van die tonnel gaping. Metings van stroomvloei aangedui dat deur die verhoging of verlaging van die gaping tussen transistor komponente met minder as 'n nanometer (biljoenste van 'n meter), die span kon presies die vloei van 'n enkele elektron deur die transistor in 'n voorspelbare wyse te beheer.

"Omdat kwantum tunneling is so fundamenteel tot enige kwantum toestel, insluitend die konstruksie van qubits, die vermoë om die vloei van een elektron op 'n slag te beheer is 'n beduidende prestasie," sê Wyrick. Daarbenewens, as ingenieurs pak al hoe meer circuit op 'n klein rekenaarskyfie en die gaping tussen komponente gaan voort om te krimp, begrip en die beheer van die gevolge van kwantum tunneling sal selfs meer krities geword, sê Richter.

bron: National Institute of Standards and Technology (NIST). "Scientists create new recipe for single-atom transistors: Linking multiple copies of these devices may lay the foundation for quantum computing." ScienceDaily. ScienceDaily, 11 May 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200511092920.htm>.