Cientistas criam nova receita para transistores de um único átomo

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas na Universidade de Maryland desenvolveram uma receita passo-a-passo para produzir os dispositivos em escala atômica. Usando estas instruções, o time levou-NIST tornou-se apenas o segundo no mundo para construir um transistor de um único átomo e o primeiro para o fabrico de uma série de transistores de electrões individuais com controlo à escala átomo sobre geometria dos dispositivos.

Os cientistas demonstraram que podiam ajustar precisamente a taxa à qual os electrões individuais fluem através de um intervalo ou barreira física eléctrica na sua transistor, embora física clássica iria proibir os electrões do fazer porque não possuem energia suficiente. Esse fenômeno estritamente quântico, conhecido como tunelamento quântico, só se torna importante quando as lacunas são extremamente pequena, como nos transistores em miniatura. controle preciso sobre tunelamento quântico é fundamental, pois permite que os transistores para tornar-se "enroscar" ou interligados de uma forma só é possível através de mecânica quântica e abre novas possibilidades para a criação de bits quânticos (qubits) que poderia ser usado na computação quântica.

Para fabricar de um único átomo e poucos-átomo transistores, a equipe contou com uma técnica conhecida em que um chip de silício é coberto com uma camada de átomos de hidrogénio, que prontamente se ligam ao silício. A fina ponta de um microscópio de varrimento de túnel, em seguida, removido átomos de hidrogénio nos locais seleccionados. O hidrogénio restante actuado como uma barreira de modo a que quando a equipa dirigida gás fosfina (PH3) na superfície do silício, moléculas PH3 individuais ligados apenas aos locais onde o hidrogénio tinha sido removidos (ver animação). Os investigadores, em seguida, aquecida a superfície de silício. O calor ejectado átomos de hidrogénio a partir do PH3 e fez com que o átomo de fósforo, que foi deixado para trás para incorporar-se na superfície. Com o processamento adicional, átomos de fósforo ligado criada a base de uma série de dispositivos de um único ou poucos-átomo altamente estáveis ​​que têm o potencial de servir como qubits.

Dois dos passos do método inventado pelas equipes NIST, selando os átomos de fósforo com camadas de protecção de silicone e, em seguida, fazer contacto eléctrico com os átomos incorporados, parecem ter sido essencial para fiavelmente fabrique muitas cópias de dispositivos atomicamente precisos, NIST pesquisador Richard silver disse.

No passado, os investigadores têm tipicamente aplicado calor como todas as camadas de silício são cultivadas, a fim de remover os defeitos e assegurar que o silício tem a estrutura cristalina pura necessário para integrar os dispositivos de um único átomo de silício com componentes eléctricos-chip convencional. Mas os cientistas do NIST descobriu que tal aquecimento pode desalojar os átomos de fósforo ligado e potencialmente interromper a estrutura dos dispositivos em escala atômica. Em vez disso, a equipe depositados os primeiros várias camadas de silício, à temperatura ambiente, permitindo que os átomos de fósforo ficar parado. Só quando as camadas subsequentes foram depositados fez a equipe aplicar calor.

"Acreditamos que nosso método de aplicar as camadas fornece mais estável e dispositivos precisos em escala atômica", disse Prata. Tendo até mesmo um único átomo de fora do lugar pode alterar a condutividade e propriedades de outros componentes eléctricos que apresentam grupos individuais ou pequenas de átomos.

A equipe também desenvolvida uma nova técnica para o passo crucial de fazer o contacto eléctrico com os átomos enterrados de modo que eles podem funcionar como parte de um circuito. Os cientistas NIST aquecida suavemente uma camada de paládio de metal aplicado a regiões específicas sobre a superfície de silício que residia directamente acima componentes seleccionados do dispositivo incorporado-silício. O paládio aquecida feito reagir com o silício, para formar uma liga electricamente condutora chamado silicieto de paládio, o que naturalmente penetrado através do silício e feito o contacto com os átomos de fósforo.

Em uma edição recente da Advanced Functional Materials, prata e seus colegas, que incluem Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr. e Curt Richter, enfatizou que o seu método de contato tem uma taxa de sucesso de quase 100%. Isso é uma conquista fundamental, observou Wyrick. "Você pode ter o melhor dispositivo-átomo-transistor único no mundo, mas se você não pode fazer contato com ele, é inútil", disse ele.

Fabricação de transistores de um único átomo "é um processo difícil e complicado que talvez todo mundo tem que cortar os dentes, mas temos definidos os passos para que outras equipes não tem que proceder por tentativa e erro", disse Richter.

Em trabalho relacionado publicado hoje em Comunicação Física, Prata e seus colegas demonstraram que eles poderiam controlar com precisão a taxa na qual os elétrons individuais túnel através de barreiras túnel atomicamente precisos em transistores de elétron único. Os investigadores NIST e seus colegas fabricada uma série de transistores de electrões único idênticos em todos os aspectos excepto para diferenças no tamanho da folga de encapsulamento. As medições de fluxo de corrente indica que, aumentando ou diminuindo a diferença entre os componentes do transistor por menos do que um nanómetro (bilionésimo de um metro), a equipe pode controlar com precisão o fluxo de electrões através de um único transistor de uma maneira previsível.

"Devido encapsulamento quântica é tão fundamental para qualquer dispositivo quântica, incluindo a construção de qubits, a capacidade de controlar o fluxo de um electrão de cada vez é um resultado significativo," disse Wyrick. Além disso, como engenheiros embalar mais e mais circuitos em um chip de computador pequena ea diferença entre os componentes continua a encolher, compreender e controlar os efeitos do tunelamento quântico se tornará ainda mais crítica, disse Richter.

fonte: 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>.