Devrim Niteliğinde Bilgisayar Teknolojisi: Metalik Karbon

12
Geniş bantlı metalik grafen nanoribbonun (GNR) taramalı tünelleme mikroskobu görüntüsü. Her bir çıkıntı kümesi, tek başına işgal edilmiş bir elektron yörüngesine karşılık gelir. Her kümenin yakınında beşgen bir halkanın oluşumu, metalik GNR'lerin iletkenliğinde on kattan fazla artışa yol açar. GNR omurgası 1.6 nanometre genişliğe sahiptir. Kredi: Daniel Rizzo'dan UC Berkeley

Devrim Niteliğinde Bilgisayar Teknolojisi: Metalik Karbon Devre Elemanı, Daha Hızlı, Verimli Karbon Tabanlı Transistörler Üzerinde Çalışmayı Sağlar

Karbon bazlı bilgisayarlar için komple karbon alet kutusundan metal teller.

Silikon yerine karbon bazlı transistörler potansiyel olarak bilgisayarların hızını artırabilir ve güç tüketimini bin kattan fazla azaltabilir – aylarca şarjını tutan bir cep telefonunu düşünün – ancak çalışan karbon devreleri oluşturmak için gereken araç seti şu ana kadar eksik kaldı.

Berkeley’deki California Üniversitesi’nden bir kimyager ve fizikçi ekibi, nihayet alet çantasındaki son aracı, tamamen karbondan yapılmış metal bir teli yarattı ve karbon bazlı transistörler oluşturmak için araştırmada bir artış için zemin hazırladı ve, nihayetinde bilgisayarlar.

UC Berkeley kimya profesörü Felix Fischer, “Aynı malzemenin içinde, karbon bazlı malzemeler alanında kalmak, bu teknolojiyi şimdi bir araya getiriyor,” dedi ve tüm devre elemanlarını aynı malzemeden yapabilme yeteneğinin fabrikasyon yaptığına dikkat çekti. Daha kolay. “Tamamen karbon tabanlı bir entegre devre mimarisinin büyük resminde eksik olan en önemli şeylerden biri buydu.”

Metal teller – bir bilgisayar çipindeki transistörleri bağlamak için kullanılan metal kanallar gibi – elektriği cihazdan cihaza taşır ve bilgisayarların yapı taşları olan transistörler içindeki yarı iletken elemanları birbirine bağlar.

UC Berkeley grubu birkaç yıldır grafen nanoribonlardan yarı iletkenlerin ve yalıtkanların nasıl yapılacağı üzerinde çalışıyor, bunlar dar, tek boyutlu atom kalın grafen şeritleri, tamamen karbon atomlarından oluşan, tavuğa benzeyen birbirine bağlı altıgen bir düzende düzenlenmiş bir yapı.

Devrim Niteliğinde Bilgisayar Teknolojisi: Metalik Karbon 1
Dar bantlı metalik grafen nanoribbonun (GNR) taramalı tünelleme mikroskobu görüntüsü. Beyaz çıkıntılar, genişletilmiş iletken durumları oluşturmak için dikkatlice düzenlenmiş tek olarak işgal edilmiş elektron orbitallerine karşılık gelir. Burada GNR omurgasının genişliği sadece 1,6 nanometre. Kredi: Daniel Rizzo’dan UC Berkeley

Yeni karbon bazlı metal aynı zamanda bir grafen nanoribbondur, ancak tüm karbon transistörlerdeki yarı iletken nanoribonlar arasında elektronları iletmeye yönelik bir gözle tasarlanmıştır. Fischer’in meslektaşı, UC Berkeley fizik profesörü Michael Crommie, metalik nanoribbonlar daha küçük özdeş yapı taşlarından bir araya getirilerek inşa edildi: aşağıdan yukarıya bir yaklaşım. Her yapı bloğu, nanoribbon boyunca serbestçe akabilen bir elektrona katkıda bulunur.

Diğer karbon bazlı malzemeler – genişletilmiş 2B grafen levhaları ve karbon nanotüpler gibi – metalik olabilirken, sorunları var. Örneğin, 2 boyutlu bir grafeni nanometre ölçekli şeritlere yeniden şekillendirmek, onları kendiliğinden yarı iletkenlere ve hatta yalıtkanlara dönüştürür. Mükemmel iletkenler olan karbon nanotüpler, büyük miktarlarda nanoribbonlarla aynı hassasiyet ve tekrarlanabilirlikle hazırlanamaz.

Crommie, “Nanoribonlar, aşağıdan yukarıya fabrikasyonu kullanarak geniş bir yapı yelpazesine kimyasal olarak erişmemize izin veriyor, bu henüz nanotüplerle mümkün değil” dedi. Bu, daha önce yapılmamış bir şey olan metalik bir nanoribbon oluşturmak için temelde elektronları birbirine dikmemize izin verdi. Bu, grafen nanoribbon teknolojisi alanındaki en büyük zorluklardan biridir ve bu konuda neden bu kadar heyecanlıyız. “

Metallerin geniş, kısmen doldurulmuş elektronik bant karakteristiğine sahip olan metalik grafen nanoribonlar, iletkenlik açısından 2D grafenin kendisine benzemelidir.

“Metal tellerin gerçekten bir dönüm noktası olduğunu düşünüyoruz; ilk kez, harici doping gerektirmeden karbon bazlı malzemelerden ultra-dar metalik bir iletken – iyi, içsel bir iletken – yaratabiliyoruz, ”diye ekledi Fischer.

Crommie, Fischer ve UC Berkeley ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki (Berkeley Lab) meslektaşları bulgularını Science dergisinin 25 Eylül 2020 sayısında yayınlayacak.

Topolojiyi düzenleme

Silikon tabanlı entegre devreler, Moore Yasasına göre, bilgisayarları on yıllardır artan hız ve performansla güçlendirdi, ancak hız sınırlarına – yani sıfırlar ve birler arasında ne kadar hızlı geçiş yapabileceklerine ulaşıyorlar. Güç tüketimini azaltmak da zorlaşıyor; bilgisayarlar halihazırda dünya enerji üretiminin önemli bir bölümünü kullanıyor. Fischer, karbon tabanlı bilgisayarların potansiyel olarak silikon bilgisayarlardan birçok kat daha hızlı geçiş yapabileceğini ve gücün yalnızca bir kısmını kullanabileceğini söyledi.

Saf karbon olan grafen, bu yeni nesil, karbon tabanlı bilgisayarlar için önde gelen bir rakiptir. Bununla birlikte, dar grafen şeritleri öncelikle yarı iletkendir ve asıl zorluk, tamamen karbondan transistörler ve işlemciler oluşturmak için bunların aynı zamanda yalıtkanlar ve metaller – sırasıyla tamamen iletken olmayan ve tamamen iletken – aşırı uçlar olarak çalışmasını sağlamaktır.

Birkaç yıl önce, Fischer ve Crommie, iletken özelliklerin tüm gamını güvenilir bir şekilde oluşturmak için küçük uzunluktaki nanoribbonları birbirine bağlamanın yeni yollarını keşfetmek için, UC Berkeley fizik profesörü olan teorik malzeme bilimcisi Steven Louie ile birlikte çalıştı.

İki yıl önce, ekip, nanoribbonun kısa bölümlerini doğru şekilde bağlayarak, her bölümdeki elektronların, ayarlanabilir yarı iletken özelliklere yol açan yeni bir topolojik durum – özel bir kuantum dalga fonksiyonu – oluşturacak şekilde düzenlenebileceğini gösterdi.

Yeni çalışmada, onlarca nanometre uzunluğunda ve ancak bir nanometre genişliğinde iletken bir metal tel oluşturmak için nanoribbonların kısa parçalarını birbirine dikmek için benzer bir teknik kullanıyorlar.

Nanoribonlar kimyasal olarak oluşturuldu ve bir tarama tünelleme mikroskobu kullanılarak çok düz yüzeylerde görüntülendi. Basit ısı, moleküllerin kimyasal olarak reaksiyona girmesini ve doğru şekilde birleşmesini sağlamak için kullanıldı. Fischer, papatya zinciri yapı taşlarının montajını bir dizi Lego ile karşılaştırır, ancak Legolar atom ölçeğine uyacak şekilde tasarlanmıştır.

“Hepsi, birbirine uyabilecekleri tek bir yol olacak şekilde hassas bir şekilde tasarlandı. Sanki bir torba Lego alıp sallıyormuşsunuz ve dışarı tamamen monte edilmiş bir araba çıkıyor ”dedi. “Kendi kendine birleşmeyi kimya ile kontrol etmenin büyüsü bu.”

Yeni nanoribbonun elektronik durumu, bir kez monte edildiğinde, tıpkı Louie’nin tahmin ettiği gibi, her segment tek bir iletken elektrona katkıda bulunan bir metaldi.

Nihai atılım, nanoribbon yapısındaki küçük bir değişikliğe bağlanabilir.

“Kimyayı kullanarak, küçük bir değişiklik yarattık, yaklaşık her 100 atom için sadece bir kimyasal bağda bir değişiklik yarattık, ancak nanoribbonun metalikliğini 20 kat artırdık ve bu, pratik bir bakış açısından önemlidir. bunu iyi bir metal yap, ”dedi Crommie.

İki araştırmacı, yarı iletken, yalıtım ve metalik grafen nanoribbonlarından oluşan alet kutularını çalışan transistörlere monte etmek için UC Berkeley’deki elektrik mühendisleriyle birlikte çalışıyor.

Fischer, “Bu teknolojinin gelecekte entegre devreleri kurma şeklimizde devrim yaratacağına inanıyorum,” dedi. Bizi şu anda silikondan beklenebilecek en iyi performanstan büyük bir adım atmalı. Artık çok daha düşük güç tüketimiyle daha hızlı anahtarlama hızlarına erişmenin bir yolunu bulduk. Gelecekte karbon bazlı elektronik yarı iletken endüstrisine doğru itici güç budur. “

Referans: Science

Makalenin ortak baş yazarları UC Berkeley Fizik Bölümünden Daniel Rizzo ve Jingwei Jiang ve Kimya Bölümünden Gregory Veber’dir. Diğer ortak yazarlar Steven Louie, Ryan McCurdy, Ting Cao, Christopher Bronner ve UC Berkeley’den Ting Chen’dir. Jiang, Cao, Louie, Fischer ve Crommie Berkeley Lab’a bağlıyken, Fischer ve Crommie, Kavli Energy NanoSciences Institute üyeleridir.

Araştırma, Denizcilik Araştırma Dairesi, Enerji Bakanlığı, Enerji Verimli Elektronik Bilimi Merkezi ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklendi.


YORUM YAP

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz