Теперь, используя квантовый материал, называемый коррелированным оксидом, исследователи из Гарварда достигли обратимого изменения электрического сопротивления на восемь порядков величины, что исследователи называют «колоссальным»."Короче говоря, они разработали этот материал, чтобы работать наравне с лучшими кремниевыми переключателями.
Открытие возникло в том, что может показаться маловероятным: лаборатория, обычно посвященная изучению топливных элементов – таких, которые работают на метане или водороде, – возглавляет Шрирам Раманатан, доцент кафедры материаловедения Гарвардской школы инженерии и прикладных наук. (МОРЯ).
Знакомство исследователей с тонкими пленками и переносом ионов позволило им использовать химию, а не температуру, для достижения впечатляющего результата.
Поскольку коррелированные оксиды могут одинаково хорошо функционировать при комнатной температуре или на несколько сотен градусов выше нее, их будет легко интегрировать в существующие электронные устройства и методы производства. Таким образом, открытие, опубликованное в Nature Communications, твердо устанавливает, что коррелированные оксиды являются многообещающими полупроводниками для будущих трехмерных интегральных схем, а также для адаптивных настраиваемых фотонных устройств.
Сложный кремний
Хотя производители электроники продолжают вкладывать большую скорость и функциональность в меньшие по размеру корпуса, производительность компонентов на основе кремния скоро упадет до предела.
«Традиционные кремниевые транзисторы имеют фундаментальные ограничения масштабирования», – говорит Раманатан. "Если вы уменьшите их сверх определенного минимального размера, они не будут вести себя должным образом."
Тем не менее, кремниевые транзисторы трудно превзойти, их соотношение включения / выключения не менее 104, необходимых для практического использования. «Это довольно высокая планка», – объясняет Раманатан, добавляя, что до сих пор эксперименты с использованием коррелированных оксидов приводили к изменениям примерно в 10, максимум 100 раз, близких к комнатной температуре.
Но Раманатан и его команда создали новый транзистор, состоящий в основном из оксида, называемого никелатом самария, который на практике обеспечивает соотношение включения / выключения более 105, то есть сопоставимо с современными кремниевыми транзисторами.
В будущей работе исследователи будут исследовать динамику переключения устройства и рассеиваемую мощность; Между тем, этот прогресс представляет собой важное доказательство концепции.
"Наш орбитальный транзистор действительно может раздвинуть границы этой области и сказать: вы знаете, что?
Это материал, который может бросить вызов кремнию », – говорит Раманатан.
Твердотельное химическое легирование
Материаловеды изучали семейство коррелированных оксидов в течение многих лет, но эта область все еще находится в зачаточном состоянии, и большая часть исследований направлена на установление основных физических свойств материалов.
«Мы только что открыли, как легировать эти материалы, что является основополагающим шагом в использовании любых полупроводников», – говорит Раманатан.
Допинг – это процесс введения различных атомов в кристаллическую структуру материала, и он влияет на то, насколько легко электроны могут проходить через него, то есть в какой степени он сопротивляется или проводит электричество. Допинг обычно влияет на это изменение, увеличивая количество доступных электронов, но это исследование было другим. Команда Гарварда изменила ширину запрещенной зоны, энергетический барьер для потока электронов.
«За счет определенного выбора легирующих добавок – в данном случае водорода или лития – мы можем расширять или сужать запрещенную зону в этом материале, детерминированно перемещая электроны на свои орбитали и с них», – говорит Раманатан.
Это принципиально иной подход, чем в других полупроводниках. Традиционный метод изменяет уровень энергии для достижения цели; новый метод сам перемещает цель.
В этом орбитальном транзисторе протоны и электроны перемещаются в никелат самария или выходят из него при приложении электрического поля, независимо от температуры, поэтому устройство может работать в тех же условиях, что и обычная электроника.
Он твердотельный, то есть в нем нет жидкостей, газов или движущихся механических частей. А при отсутствии питания материал запоминает свое текущее состояние – важная особенность для энергоэффективности.
«В этом прелесть этой работы», – говорит Раманатан. «Это экзотический эффект, но в принципе он хорошо совместим с традиционными электронными устройствами."
Квантовые материалы
В отличие от кремния, никелат самария и другие коррелированные оксиды являются квантовыми материалами, а это означает, что квантово-механические взаимодействия имеют доминирующее влияние на свойства материала – и не только в малых масштабах.
"Если у вас есть два электрона на соседних орбиталях, и орбитали не полностью заполнены, в традиционном материале электроны могут перемещаться с одной орбитали на другую. Но в коррелированных оксидах электроны настолько отталкивают друг друга, что не могут двигаться », – объясняет Раманатан. «Заселенность орбиталей и способность электронов двигаться в кристалле очень тесно связаны друг с другом – или« коррелируют ».По сути, это то, что определяет, будет ли материал вести себя как изолятор или металл."
Раманатан и другие сотрудники SEAS также успешно манипулировали переходом металл-изолятор в оксиде ванадия.
В 2012 году они продемонстрировали настраиваемое устройство, способное поглощать 99.75% инфракрасного света кажется черным для инфракрасных камер.
Точно так же никелат самария может привлечь внимание физиков-прикладников, разрабатывающих фотонные и оптоэлектронные устройства.
«Открытие и закрытие запрещенной зоны означает, что теперь вы можете управлять способами взаимодействия электромагнитного излучения с вашим материалом», – говорит Цзянь Ши, ведущий автор статьи в Nature Communications. Он завершил исследование в качестве постдокторанта в лаборатории Раманатана в Гарвардском SEAS и этой осенью поступил на факультет Политехнического института Ренсселера. "Просто применяя электрическое поле, вы динамически контролируете, как свет взаимодействует с этим материалом."
В дальнейшем исследователи из Центра интегрированных квантовых материалов, созданного в Гарварде в 2013 году за счет гранта Национального научного фонда, стремятся разработать совершенно новый класс квантовых электронных устройств и систем, которые изменят обработку сигналов и вычисления.
Раманатан сравнивает нынешнее состояние исследований квантовых материалов с 1950-ми годами, когда транзисторы были изобретены недавно, а физики все еще разбирались в них. «По сути, мы живем в ту эпоху для этих новых квантовых материалов», – говорит он. "Это захватывающее время подумать об установлении основных, фундаментальных свойств. В ближайшее десятилетие это действительно может стать очень интересной платформой для устройств."
Ю Чжоу, аспирантка Гарвардского университета SEAS, была соавтором статьи в Nature Communications. Исследование было поддержано грантами Национального научного фонда (NSF) (CCF-0926148) и Национальной академии наук, а также наградой NSF для факультета раннего развития карьеры (CAREER), полученной проф.
Раманатан (DMR-0952794).