quasi 1, 000 volte più sottile di un capello umano, i nanofili possono essere compresi solo con la meccanica quantistica. Utilizzando modelli quantistici, i fisici della Michigan Technological University hanno scoperto cosa guida l'efficienza di un transistor nanowire con nucleo in silicio-germanio (Si-Ge).

Nanofili Core-Shell

Lo studio, pubblicato la scorsa settimana in Nano lettere , si concentra sul tunneling quantistico in una struttura di nanofili core-shell. Ranjit Pati, un professore di fisica alla Michigan Tech, ha condotto il lavoro insieme ai suoi studenti laureati Kamal Dhungana e Meghnath Jaishi.

I nanofili core-shell sono come una versione molto più piccola di un cavo elettrico, dove la regione del nucleo del cavo è costituita da materiale diverso dalla regione del guscio. In questo caso, il nucleo è in silicio e il guscio è in germanio. Sia il silicio che il germanio sono materiali semiconduttori. Essendo così magro, questi nanofili semiconduttori core-shell sono considerati materiali unidimensionali che mostrano proprietà fisiche uniche.

La disposizione degli atomi in questi nanofili determina il modo in cui gli elettroni li attraversano, Pati spiega, aggiungendo che una comprensione più completa della fisica che guida questi transistor su nanoscala potrebbe portare a una maggiore efficienza nei dispositivi elettronici.

"Le prestazioni di un transistor a nanofili di silicio-germanio eterogeneo sono molto migliori di un nanofilo di silicio omogeneo, " dice Pati. "Nel nostro studio, abbiamo svelato i fenomeni quantistici responsabili delle sue prestazioni superiori".

Transistor ad effetto di campo

I transistor alimentano il nostro mondo digitale. Ed erano grandi, o almeno abbastanza grandi da essere visti dalle persone. Con i progressi nelle nanotecnologie e nella scienza dei materiali, i ricercatori sono stati in grado di ridurre al minimo le dimensioni e massimizzare il numero di transistor che possono essere assemblati su un microchip.

Il particolare transistor su cui Pati ha lavorato è un transistor ad effetto di campo (FET) realizzato con nanofili core-shell. Manipola la corrente elettrica nel canale del nanofilo utilizzando una polarizzazione del gate. In poche parole, una polarizzazione del gate influenza la corrente elettrica nel canale come una valvola controlla il flusso d'acqua in un tubo. La polarizzazione del gate produce un effetto di campo elettrostatico che induce un comportamento di commutazione nella corrente del canale. Il controllo di questo campo può accendere o spegnere il dispositivo, molto simile a un interruttore della luce.

Diversi gruppi hanno fabbricato con successo FET a nanofili con guscio centrale e hanno dimostrato la loro efficacia rispetto ai transistor attualmente utilizzati nei microprocessori. Ciò che Pati e il suo team hanno esaminato è la fisica quantistica che guida le loro prestazioni superiori.

Tunneling quantistico

La corrente elettrica tra source e drain in un FET a nanofili non può essere compresa utilizzando la fisica classica. Questo perché gli elettroni fanno cose strane su una scala così piccola.

"Immagina un pesce intrappolato in un acquario; se il pesce ha abbastanza energia, potrebbe saltare oltre il muro, " Dice Pati. "Ora immagina un elettrone nel serbatoio:se ha abbastanza energia, l'elettrone potrebbe saltare fuori, ma anche se non ha abbastanza energia, l'elettrone può scavare un tunnel attraverso le pareti laterali, quindi c'è una probabilità finita che troveremmo un elettrone fuori dal serbatoio."

Questo è noto come tunneling quantistico. Per Patti, catturare l'elettrone in azione all'interno dei transistor a nanofili è la chiave per comprendere le loro prestazioni superiori. Lui e il suo team hanno usato quello che viene chiamato un approccio di trasporto quantistico basato sui primi principi per sapere cosa fa sì che gli elettroni si spostino in modo efficiente nei nanofili nucleo-guscio.

Il tunneling quantistico degli elettroni, un gioco della campana su scala atomica, è ciò che consente agli elettroni di muoversi attraverso i materiali dei nanofili che collegano la sorgente e il drenaggio. E il movimento diventa più specifico:gli elettroni saltano quasi esclusivamente attraverso il guscio di germanio ma non attraverso il nucleo di silicio. Lo fanno attraverso gli orbitali pz allineati del germanio.

In poche parole, questi orbitali, che sono regioni a forma di manubrio di alta probabilità di trovare un elettrone, sono piattaforme di atterraggio perfette per il tunneling degli elettroni. L'allineamento specifico, codificato a colori nel diagramma sopra, rende il tunneling quantistico ancora più semplice. È come la differenza tra cercare di scavare in un pozzo con pareti d'acciaio e pareti di sabbia. L'allineamento compatto degli orbitali pz nel guscio di germanio consente agli elettroni di passare da un atomo all'altro, creando una corrente elettrica molto più elevata all'accensione. Nel caso di nanofili di silicio omogenei, non c'è un allineamento ravvicinato degli orbitali pz, il che spiega perché sono FET meno efficaci.

Nanofili nell'elettronica

Esistono molti potenziali usi per i FET a nanofili. Pati e il suo team scrivono nel loro articolo Nano Letters che "si aspettano che la comprensione del livello orbitale elettronico acquisita in questo studio si dimostrerebbe utile per la progettazione di una nuova generazione di FET con nanocavi core-shell".

Nello specifico, avere una struttura eterogenea offre un ulteriore controllo della mobilità e prestazioni superiori rispetto all'attuale generazione di transistor, oltre alla compatibilità con la tecnologia al silicio esistente. I FET a nanofili core-shell potrebbero trasformare il nostro futuro rendendo i computer più potenti, telefoni e dispositivi indossabili più intelligenti, automobili più interconnesse e reti elettriche più efficienti. Il prossimo passo è semplicemente fare un piccolo salto di qualità.