类似DNA的材料可能带来更小的晶体管

 
计算机芯片使用数十亿个称为晶体管的微型开关来处理信息。芯片上的晶体管越多，计算机速度就越快。
形状像一维DNA螺旋的材料可能会进一步限制晶体管的尺寸。该材料来自一种称为碲的稀土元素。
研究人员发现，这种材料封装在由氮化硼制成的纳米管中，有助于制造直径为2纳米的场效应晶体管。市场上的晶体管由体积较大的硅制成，尺寸范围在10到20纳米之间。
这项研究发表在《自然电子》杂志上。普渡大学的工程师与密歇根理工大学，圣路易斯华盛顿大学和达拉斯的德克萨斯大学合作进行了这项工作。
在过去的几年中，在实验室环境中已经构建了小至几纳米的晶体管。目标是制造原子大小的晶体管。
普渡大学(Purdue)的Peide Ye的实验室是许多研究小组之一，他们试图利用比硅更薄的材料来实现更小和更高性能的晶体管。
普渡大学的理查德·J·理查德(Richard J.)和玛丽·乔·施瓦兹(Mary Jo Schwartz)电气与计算机工程学教授说：“这种碲材料确实是独一无二的。它可以制造出世界上最小的功能晶体管。”
在2018年，普渡大学的同一研究团队发现了碲，碲是一种从碲衍生的二维材料。他们发现用这种材料制成的晶体管可以承载更多的电流，从而使其效率更高。
这一发现使他们对碲还可以对晶体管产生什么影响感到好奇。该元件具有一维超薄材料形式的能力，有助于进一步缩小晶体管的尺寸。
缩小大多数电子设备中发现的场效应晶体管的一种方法是建立围绕较细纳米线的栅极。这些纳米线在纳米管内受到保护。
类似DNA的材料可能带来更小的晶体管
这些银色的，摆动的线是碲中原子串，就像DNA一样。研究人员还没有在其他任何材料中看到这种行为。图片提供：得克萨斯大学达拉斯分校/王庆孝和金满月
普渡大学电气与计算机工程博士学位的秦静楷和廖培英领导了研究工作，研究如何使碲最小至单个原子链，然后用这些原子链或超薄纳米线制造晶体管。
他们开始生长一维碲原子链。普渡大学的Wenzhuo Wu的实验室合成了裸碲纳米线用于比较。华盛顿大学李阳领导的一个团队模拟了碲的行为。
研究人员惊讶地发现这些一维链中的原子会摆动。这些摆动通过德克萨斯大学达拉斯分校的Moon Kim和普渡大学的Hai-Yan Wang进行的TEM成像而可见。
叶说：“硅原子看起来很直，但是这些碲原子就像一条蛇。这是一种非常原始的结构。”
摆动是原子成对地彼此牢固结合，形成DNA样的螺旋链，然后通过称为范德华相互作用的弱力堆叠，形成碲晶体。
叶说，与其他材料相比，这些范德华相互作用将碲作为单原子链或一维纳米线的一种更有效的材料，因为它更容易装入纳米管中。
由于纳米管的开口不能小于原子的大小，因此原子的碲螺旋可以实现更小的纳米线，从而也可以实现更小的晶体管。
研究人员用密歇根理工大学物理学教授Yoke Khin Yap的实验室提供的氮化硼纳米管封装了碲纳米线构建了一个晶体管。高质量的氮化硼纳米管可以有效地隔离碲，从而可以制造晶体管。
许贤凡在普渡大学的实验室通过拉曼光谱法表征了该材料的性能，以此来确定其性能。
为这项工作提供资金的美国陆军研究办公室项目经理乔秋说：“这项研究揭示了一种有前途的材料，这些材料可以使用这些微型晶体管以极低的功耗实现更快的计算速度。” “这项技术将对陆军有重要的应用。”