科学家创建用于单原子晶体管新的配方

现在，研究人员在美国国家标准与技术研究院（NIST）和他们的同事在马里兰大学开发了一个一步一步的食谱，以产生原子级的设备。使用这些说明，在NIST主导团队已成为仅第二世界构建一个单原子晶体管和第一制造具有在器件的几何原子级控制一系列单电子晶体管。

科学家证明，他们可以精确地调整在该个人电子流过其晶体管的物理间隙或电子阻隔率，即使经典物理学会这样做，因为他们缺乏足够的能量，禁止电子。这种严格的量子现象，称为量子隧道效应，只有当差距是极其微小的，如在微型晶体管变得很重要。在量子隧道精确控制是关键，因为它可以使晶体管能够通过量子力学“纠结”或相通的方式只可能和创建量子位（量子比特）开辟了新途径，可以在量子计算中使用。

为了制造单原子和几个原子晶体管，该球队的已知技术，其中硅芯片被覆盖有氢原子的层，其容易结合到硅依赖。扫描隧道显微镜的尖端细，然后在选定的位点去除的氢原子。充当屏障，从而当在硅表面上的队定向磷化氢气体（PH3），从个人PH3分子仅附着到其中氢已被除去的位置（见动画）的剩余的氢。研究人员随后加热的硅表面。热喷射从PH3氢原子和造成的被留下以本身在表面嵌入的磷原子。用额外的处理，结合的磷原子创建了一系列具有用作量子位的电势高度稳定的单层或几个原子的设备的基础。

在方法中的步骤的两个设计由NIST队，密封与硅的保护层中的磷原子，然后使具有嵌入的原子的电接触，似乎已被基本以原子精确设备稳定地制造许多拷贝，NIST研究员理查德Silver说。

在过去，研究者已经典型地施加热，因为所有硅层生长，以去除缺陷和确保该硅具有与传统的硅芯片的电气部件单原子器件集成所需的纯的结晶结构。但是NIST科学家发现，这种加热可以移去结合的磷原子和潜在地扰乱原子级器件的结构。取而代之的是，球队沉积在第一几个硅层在室温下，使磷原子留在原地。只有当后续层沉积没有球队加热即可。

“我们相信，我们的应用层的方法提供了更加稳定和精确的原子尺度的设备，” Silver说。具有甚至单个原子出来的地方可以改变导电性和功能原子的单个或小簇的电组件的其它性能。

该小组还开发用于与所述掩埋原子的电接触，使得它们可以作为一个电路的一部分操作的关键步骤的新颖技术。 NIST的科学家温和加热施加到特定区域即居住直接与硅嵌入式设备的所选组件之上的硅表面上的钯金属的层。被加热的钯与硅反应以形成导电合金称为硅化钯，这自然通过硅穿透并且由具有磷原子接触。

在最近的新型功能材料，银和他的同事，谁包括西樵王，乔纳森Wyrick，迈克尔·斯图尔特Jr.和柯特·里克特的版本，强调的是他们的联系方式有近100％的成功率。这是一个关键的成就，指出Wyrick。 “你可以拥有世界上最好的单原子晶体管器件，但如果你不能接触它，它是无用的，”他说。

制造单原子晶体管“是一项艰巨而复杂的过程，也许每个人都必须削减他们的牙齿上，但我们已经奠定了步骤，使其他球队没有通过反复试验来进行，”里克特说。

在相关工作今天发表在通信物理，银和他的同事证明，他们可以精确地控制通过单电子晶体管原子精确隧道壁垒在其个人电子隧穿率。 NIST的研究人员和他们的同事制造的系列，除此以外，在隧道间隙的大小差异各种方式相同的单电子晶体管。电流流动的测量表明，通过增加或小于纳米减小晶体管部件之间的间隙（十亿分之一米），该球队可以精确地控制单个电子的通过晶体管以可预测的方式流动。

“由于量子隧道是如此重要的任何量子器件，包括量子位的结构，以控制一个电子的同时流动的能力是一个显著成就，” Wyrick说。此外，工程师将更多的和更多的电路一个微型电脑芯片上与部件之间的间隙继续缩小，理解和控制量子隧道效应将变得更为重要，里克特说。

资源 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>.