Una versione semplificata della Fig. 1.(a) dal documento dei ricercatori. Didascalia:Quando un campo elettrico (E ⃗) è incidente sull'interfaccia (linea nera) tra due materiali (regioni blu e verde) con valori di permittività distinti (κ_1 e κ_2), una carica legata alla superficie (σ_b) si forma su quell'interfaccia. Credito:Prentki et al.
Negli ultimi anni, fisici e ingegneri elettronici hanno cercato di identificare materiali che potrebbero essere utilizzati per fabbricare nuovi tipi di dispositivi elettronici. È stato riscontrato che i materiali unidimensionali (1-D) e bidimensionali (2-D) hanno caratteristiche particolarmente vantaggiose, in particolare per lo sviluppo di nuove generazioni di nanoelettronica (componenti elettronici su scala nanometrica).
Tali materiali 1-D e 2-D, come il grafene, bisolfuro di molibdeno monostrato, nanofili di silicio e nanofogli di silicio, potrebbe anche svolgere un ruolo cruciale all'interno dell'industria dei semiconduttori, in quanto potrebbero aiutare a sviluppare transistor sempre più piccoli. I transistor sono gli elementi costitutivi di base di molti dispositivi elettronici moderni, che può memorizzare e controllare bit di informazioni binarie (cioè, zero e uno).
Nonostante i loro vantaggi ben documentati, i materiali emergenti a bassa dimensionalità possono avere una quantità relativamente piccola di cosiddetti costi gratuiti rispetto ai materiali 3D. Nell'ambito dei componenti elettronici, una carica gratuita è un elettrone o una lacuna (cioè, mancanza di un elettrone in un reticolo atomico che agisce come un elettrone caricato positivamente) che non è strettamente legato al reticolo atomico ed è quindi in grado di muoversi liberamente attraverso un materiale in risposta a campi esterni e tensioni applicate. Gli addebiti gratuiti hanno una serie di importanti funzioni, uno dei quali è il loro contributo a quello che è noto come effetto schermante.
Infatti, le cariche gratuite possono ridistribuirsi per creare profili di potenziale elettrico nitidi sia nei materiali che nei dispositivi, anche nei transistor. Perciò, maggiore è il numero di ricariche gratuite che il materiale possiede, più acuto è il potenziale elettrico risultante. Questa particolare funzione è particolarmente cruciale per lo sviluppo di transistor ad effetto di campo tunnel, che si basano fortemente sul tunneling quantistico degli elettroni attraverso le giunzioni.
I ricercatori della McGill University e della NanoAcademic Technologies hanno recentemente identificato una strategia che potrebbe compensare la mancanza di addebiti gratuiti osservata nei materiali sia 1-D che 2-D. Nella loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , hanno proposto l'uso di questa strategia, che si basa sull'ingegneria delle cariche vincolate, per sviluppare transistor a nanofili di silicio.
Immagine di uno dei nanofili di silicio che Prentki ha simulato nel suo lavoro. Ogni sfera rappresenta un atomo di silicio, e ogni barra rappresenta un legame atomico tra due atomi di silicio vicini. Credito:Prentki et al.
"Il transistor ad effetto di campo tunnel ha dissipazioni di potenza molto inferiori rispetto ai transistor convenzionali, rendendolo un candidato promettente per l'elettronica a bassa potenza, "Raphael Prentki, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Per un transistor ad effetto di campo tunnel con potenziale elettrico più acuto alla giunzione tunnel, il bivio diventa più attraversabile, portando a migliori prestazioni del dispositivo. Abbiamo quindi mirato a trovare un modo per compensare la mancanza di addebiti gratuiti nei materiali a bassa dimensionalità".
Ci sono due tipi di cariche nei materiali, vale a dire spese libere e vincolate. Come suggerisce il nome, le cariche libere sono debolmente legate ai nuclei atomici e libere di muoversi, che li rende facili da manipolare con campi elettrici e tensioni. In contrasto, le cariche legate sono strettamente legate ai nuclei atomici e possono muoversi solo all'interno degli atomi. Sebbene queste accuse siano state identificate centinaia di anni fa, non sono generalmente considerati o applicati nella progettazione di transistor o altri dispositivi elettronici.
Nel loro studio, Prentki e i suoi colleghi hanno ideato un metodo per progettare in modo vantaggioso le cariche vincolate nei dispositivi elettronici. Si riferiscono a questa strategia di progettazione come "ingegneria della carica limitata".
"In particolare, usando le equazioni di Maxwell, si può dimostrare che quando un campo elettrico attraversa l'interfaccia tra due materiali, moduli di addebito vincolato su tale interfaccia, "Prentki ha detto. "Inoltre, la quantità di carica legata è proporzionale alla grandezza del campo elettrico, così come la differenza tra le permittività dei due materiali. La permittività è una proprietà materiale che quantifica quanto un materiale si polarizza in risposta a un campo elettrico esterno."
Prentki e i suoi colleghi hanno dimostrato che le cariche legate alla superficie all'interfaccia tra due regioni di un dispositivo elettronico possono essere controllate sintonizzando il campo elettrico e scegliendo materiali con valori di permittività adeguati. Per creare transistor ad effetto di campo tunnel migliori, i ricercatori propongono di circondare parte della giunzione tunnel con un ossido a bassa permettività, in quanto ciò consente la formazione di carica legata. Nella loro carta, hanno preso in considerazione questa strategia per fabbricare un transistor fatto di nanofili di silicio.
Immagine di uno dei nanofili di silicio che Prentki ha simulato nel suo lavoro. Ogni sfera rappresenta un atomo di silicio, e ogni barra rappresenta un legame atomico tra due atomi di silicio vicini. Credito:Prentki et al.
Nei progetti di transistor allo stato dell'arte esistenti, il nanofilo di silicio è circondato da un ossido ad alta permettività, come il biossido di afnio, che consente un'elevata capacità di gate. Prentki e i suoi colleghi, d'altra parte, proporre l'idea di circondare la regione del nanofilo vicino alla giunzione tunnel utilizzando biossido di silicio, un isolante con un valore di permittività che è solo 3,8 volte maggiore della permittività dell'aria.
"Nel nostro progetto, la carica legata all'interfaccia nanofilo-ossido integra le cariche libere nell'effetto schermante, risultante in una giunzione tunneling più nitida, " Ha detto Prentki. "Ciò si traduce in un transistor ad effetto di campo a tunnel assistito da carica legata con una corrente di stato attiva oltre 10 volte superiore rispetto ai transistor a carica assistita non legata, che potrebbe consentire la sua applicazione pratica nei dispositivi informatici a frequenze di clock più elevate."
Prentki e i suoi colleghi hanno dimostrato che l'ingegneria della carica legata può essere utilizzata per controllare la dimensione delle regioni di esaurimento alla giunzione tra due regioni di transistor ad effetto di campo. Ciò è particolarmente vero per il luogo in cui "fonte" e "canale, " o le regioni "channel" e "drain" di un transistor ad effetto di campo si incontrano. In altre parole, le cariche legate possono essere utilizzate per supportare le cariche libere nel consentire un effetto schermante più forte nei transistor.
"Il nostro lavoro introduce un metodo generale per progettare cariche vincolate a nostro vantaggio in materiali e dispositivi, " Prentki ha detto. "Questo è particolarmente utile nei materiali emergenti unidimensionali e bidimensionali. Per esempio, L'ingegneria della carica legata offre miglioramenti significativi delle prestazioni nei transistor ad effetto di campo tunnel di nanofili di silicio."
Nel loro recente articolo, i ricercatori hanno dimostrato che la loro strategia per controllare le dimensioni delle regioni di esaurimento può essere utilizzata per migliorare le prestazioni di un tipo specifico di transistor a effetto di campo a bassa potenza, vale a dire, un transistor ad effetto di campo tunnel. Nei loro studi successivi, testeranno sperimentalmente la fattibilità della loro strategia, utilizzandolo per realizzare un vero e proprio transistor ad effetto di campo tunnel.
Immagine di uno dei nanofili di silicio che Prentki ha simulato nel suo lavoro. Ogni sfera rappresenta un atomo di silicio, e ogni barra rappresenta un legame atomico tra due atomi di silicio vicini. Credito:Prentki et al.
"La nostra indagine era puramente basata sulla simulazione, " ha spiegato Prentki. "Anche se abbiamo utilizzato un metodo di simulazione all'avanguardia, solo un solido, la realizzazione nel mondo reale del dispositivo può dimostrare senza dubbio che il concetto di ingegneria della carica legata funziona davvero".
Oltre a dimostrare la fattibilità dell'ingegneria della carica legata per la creazione di transistor ad effetto di campo tunnel con prestazioni migliori utilizzando nanofili, i ricercatori vorrebbero ora applicare la loro strategia ad altre aree della nanoelettronica. Ad esempio, vorrebbero testarne l'efficacia per il downscaling di specifici tipi di transistor.
"L'ingegneria della carica legata è un'idea molto generale stabilita dalle leggi fondamentali dell'elettromagnetismo, " Prentki ha aggiunto. "Così, in linea di principio, non si limita alle applicazioni nei campi della nanoelettronica e della progettazione di transistor. Perciò, vorremmo anche applicare questo concetto ad altri campi di ricerca in cui la carica vincolata e lo screening possono essere importanti, come l'elettronica molecolare, elettrochimica e fotosintesi artificiale."
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