Когда расстояние от истока до стока транзистора d приближается к нанометровому масштабу, передача, опосредованная квантовым туннелированием (ζ) через потенциальный энергетический барьер, который создает выключенное состояние, увеличивается экспоненциально, что приводит к высокому току утечки и ухудшению качества устройства, например — подпороговое колебание (S_s-th). Утечка исток-сток становится все более проблематичной на молекулярном уровне (<5 нм), если только помехи между двумя когерентными каналами проводимости не подавляют передачу.
Фото: Природные нанотехнологии (2024 г.). DOI: 10.1038/s41565-024-01633-1

Международная группа исследователей из Лондонского университета Королевы Марии, Оксфордского университета, Ланкастерского университета и Университета Ватерлоо разработала новый одномолекулярный транзистор, который использует квантовую интерференцию для управления потоком электронов. Транзистор, описанный в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, открывает новые возможности использования квантовых эффектов в электронных устройствах.

Транзисторы являются основными строительными блоками современной электроники. Они используются для усиления и переключения электрических сигналов и необходимы для всего: от смартфонов до космических кораблей. Однако традиционный метод изготовления транзисторов , который включает травление кремния в крошечные каналы, достигает своих пределов.

По мере того, как транзисторы становятся меньше, они становятся все более неэффективными и подверженными ошибкам, поскольку электроны могут просачиваться через устройство, даже когда оно должно быть выключено, в результате процесса, известного как квантовое туннелирование. Исследователи изучают новые типы механизмов переключения, которые можно использовать с различными материалами для устранения этого эффекта.

В наноразмерных структурах, которые изучают профессор Ян Мол, доктор Джеймс Томас и их группа в Школе физических и химических наук королевы Марии, доминируют квантово-механические эффекты, а электроны ведут себя как волны, а не как частицы. Воспользовавшись этими квантовыми эффектами, исследователи создали новый транзистор.

Проводящий канал транзистора представляет собой один порфирин цинка, молекулу, способную проводить электричество. Порфирин зажат между двумя графеновыми электродами, и когда к электродам прикладывается напряжение, поток электронов через молекулу можно контролировать с помощью квантовой интерференции.

Интерференция — это явление, которое возникает, когда две волны взаимодействуют друг с другом и либо нейтрализуют друг друга (деструктивная интерференция), либо усиливают друг друга (конструктивная интерференция). В случае с новым транзистором исследователи включали и выключали транзистор, контролируя, будут ли электроны вмешиваться конструктивно (включено) или деструктивно (выключено) при прохождении через молекулу порфирина цинка.

Исследователи обнаружили, что новый транзистор имеет очень высокий коэффициент включения/выключения, а это означает, что его можно включать и выключать очень точно. Деструктивная квантовая интерференция играет в этом решающую роль, устраняя поток вытекающих электронов из-за квантового туннелирования через транзистор, когда он должен быть выключен.

Они также обнаружили, что транзистор очень стабилен. Предыдущие транзисторы, изготовленные из одной молекулы, могли продемонстрировать лишь несколько циклов переключения. Однако это устройство может работать сотни тысяч циклов, не выходя из строя.

«Квантовая интерференция — мощное явление, которое потенциально может быть использовано в самых разных электронных приложениях», — сказал ведущий автор доктор Джеймс Томас, преподаватель квантовых технологий в Queen Mary. «Мы считаем, что наша работа является важным шагом на пути к реализации этого потенциала».

«Наши результаты показывают, что квантовая интерференция может использоваться для управления потоком электронов в транзисторах и что это можно сделать одновременно эффективным и надежным способом», — сказал соавтор профессор Ян Мол. «Это может привести к разработке новых типов транзисторов, которые меньше, быстрее и более энергоэффективны, чем нынешние устройства».

Исследователи также обнаружили, что эффекты квантовой интерференции можно использовать для улучшения подпорогового колебания транзистора, которое является мерой того, насколько чувствителен транзистор к изменениям напряжения на затворе. Чем ниже подпороговый размах, тем эффективнее транзистор.

Транзисторы исследователей имели подпороговое колебание 140 mV/dec, что лучше, чем подпороговое колебание, зарегистрированное для других одномолекулярных транзисторов, и сравнимо с более крупными устройствами, изготовленными из таких материалов, как углеродные нанотрубки.

Исследования все еще находятся на начальной стадии, но исследователи оптимистичны в отношении того, что новый транзистор может быть использован для создания нового поколения электронных устройств. Эти устройства могут использоваться в самых разных приложениях, начиная от компьютеров и смартфонов и заканчивая медицинскими устройствами.