Casi 1, 000 veces más delgado que un cabello humano, Los nanocables solo pueden entenderse con la mecánica cuántica. Usando modelos cuánticos, Los físicos de la Universidad Tecnológica de Michigan han descubierto qué impulsa la eficiencia de un transistor de nanocables núcleo-capa de silicio-germanio (Si-Ge).

Nanocables núcleo-carcasa

El estudio, publicado la semana pasada en Nano letras , se centra en el túnel cuántico en una estructura de nanocables núcleo-capa. Ranjit Pati, profesor de física en Michigan Tech, dirigió el trabajo junto con sus estudiantes graduados Kamal Dhungana y Meghnath Jaishi.

Los nanocables núcleo-capa son como una versión mucho más pequeña de un cable eléctrico, donde la región del núcleo del cable está hecha de un material diferente al de la región de la carcasa. En este caso, el núcleo está hecho de silicio y la carcasa está hecha de germanio. Tanto el silicio como el germanio son materiales semiconductores. Siendo tan delgado Estos nanocables semiconductores núcleo-capa se consideran materiales unidimensionales que muestran propiedades físicas únicas.

La disposición de los átomos en estos nanocables determina cómo los electrones los atraviesan, Pati explica, y agregó que una comprensión más completa de la física que impulsa estos transistores a nanoescala podría conducir a una mayor eficiencia en los dispositivos electrónicos.

"El rendimiento de un transistor heterogéneo de nanocables de silicio-germanio es mucho mejor que un nanocable de silicio homogéneo, "Dice Pati". En nuestro estudio, hemos desentrañado los fenómenos cuánticos responsables de su rendimiento superior ".

Transistores de efecto de campo

Los transistores alimentan nuestro mundo digital. Y solían ser grandes, o al menos lo suficientemente grandes para que la gente los viera. Con los avances en nanotecnología y ciencia de los materiales, Los investigadores han podido minimizar el tamaño y maximizar la cantidad de transistores que se pueden ensamblar en un microchip.

El transistor particular en el que Pati ha estado trabajando es un transistor de efecto de campo (FET) hecho de nanocables núcleo-capa. Manipula la corriente eléctrica en el canal de nanocables utilizando una polarización de puerta. Simplemente pon, un sesgo de compuerta afecta la corriente eléctrica en el canal como una válvula controla el flujo de agua en una tubería. La polarización de la puerta produce un efecto de campo electrostático que induce un comportamiento de conmutación en la corriente del canal. Controlar este campo puede encender o apagar el dispositivo, como un interruptor de luz.

Varios grupos han fabricado con éxito FET de nanocables núcleo-capa y han demostrado su eficacia sobre los transistores que se utilizan actualmente en los microprocesadores. Lo que Pati y su equipo observaron es la física cuántica que impulsa su desempeño superior.

Túnel cuántico

La corriente eléctrica entre la fuente y el drenaje en un FET de nanocables no se puede entender usando la física clásica. Eso es porque los electrones hacen cosas extrañas a una escala tan pequeña.

"Imagínese un pez atrapado dentro de una pecera; si el pez tiene suficiente energía, podría saltar por encima de la pared, "Dice Pati." Ahora imagina un electrón en el tanque:si tiene suficiente energía, el electrón podría saltar, pero incluso si no tiene suficiente energía, el electrón puede hacer un túnel a través de las paredes laterales, así que hay una probabilidad finita de que encontremos un electrón fuera del tanque ".

Esto se conoce como tunelización cuántica. Para Pati, captar el electrón en acción dentro de los transistores de nanocables es la clave para comprender su rendimiento superior. Él y su equipo utilizaron lo que se conoce como un enfoque de transporte cuántico de primeros principios para saber qué hace que los electrones hagan un túnel de manera eficiente en los nanocables núcleo-capa.

El túnel cuántico de electrones, un juego de rayuela a escala atómica, es lo que permite que los electrones se muevan a través de los materiales de nanocables que conectan la fuente y el drenaje. Y el movimiento se vuelve más específico que eso:los electrones saltan casi exclusivamente a través de la capa de germanio, pero no a través del núcleo de silicio. Lo hacen a través de los orbitales pz alineados del germanio.

Simplemente pon, estos orbitales, que son regiones en forma de mancuerna de alta probabilidad de encontrar un electrón, son pistas de aterrizaje perfectas para hacer túneles de electrones. La alineación específica, codificada por colores en el diagrama anterior, hace que el túnel cuántico sea aún más fácil. Es como la diferencia entre intentar excavar en un pozo con paredes de acero o paredes de arena. La alineación compacta de los orbitales pz en la capa de germanio permite a los electrones hacer un túnel de un átomo a otro, creando una corriente eléctrica mucho más alta cuando se enciende. En el caso de nanocables de silicio homogéneos, no hay una alineación compacta de los orbitales pz, lo que explica por qué son FET menos efectivos.

Nanocables en electrónica

Hay muchos usos potenciales para los FET de nanocables. Pati y su equipo escriben en su artículo de Nano Letters que "esperan que la comprensión del nivel orbital electrónico obtenido en este estudio resulte útil para diseñar una nueva generación de FET de nanocables de núcleo-capa".

Específicamente, tener una estructura heterogénea ofrece un control de movilidad adicional y un rendimiento superior sobre la generación actual de transistores, además de la compatibilidad con la tecnología de silicio existente. Los FET de nanocables de núcleo y caparazón podrían transformar nuestro futuro al hacer que las computadoras sean más potentes, teléfonos y dispositivos portátiles más inteligentes, coches más interconectados y redes eléctricas más eficientes. El siguiente paso es simplemente dar un pequeño salto cuántico.