Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Lepsze tranzystory z nanokabli

Recommended Posts

Jak wiemy, miniaturyzacja krzemowych tranzystorów ma swoje granice i współczesna technologia właśnie się do nich zbliża. Dlatego też poszukiwane są alternatywne sposoby na zapewnienie ciągłego rozwoju komputerów. Jednym z nich jest pomysł na wykorzystanie krzemowych nanokabli. W 2008 roku naukowcy z MIT-u stworzyli nanokable, w których ruchliwość elektronów jest dwukrotnie lepsza niż w poprzednich tego typu produktach. Teraz ten sam zespół udowodnił, że jest w stanie ułożyć na sobie do pięciu wysoko wydajnych nanokabli, pięciokrotnie zwiększając w ten sposób wydajność nanokablowego tranzystora, bez zwiększania jego powierzchni na układzie scalonym.

Zaletą rozwiązania proponowanego przez MIT jest fakt, iż nanokable zawieszone są w powietrzu, więc można je izolować, by nie dopuszczać do wyciekania ładunku, co jest coraz większym problemem w miarę zmniejszania tranzystorów. Jednak wadą nanokabli są ich niewielkie rozmiary, które ograniczają ilość przenoszonego ładunku. Profesor Judy Hoyt oraz jej studenci, Pouya Hashemi i Leonardo Gomez, zwiększyli wydajność nanokabli nieco rozciągając krzem tak, by jego atomy były oddalone od siebie bardziej niż normalnie. Rozciągnięty krzem stosuje się w konwencjonalnych tranzystorach od 2003 roku, a profesor Hoyt była jednym z pionierów badań nad tego typu technologią.

Uczeni z MIT-u rozpoczęli swoje prace od umieszczenia na plastrze krzemowym mieszaniny krzemu domieszkowanego germanem. Na to nałożyli warstwę czystego krzemu. Jego atomy, próbując dopasować się do położenia atomów niższej warstwy, musiały się rozciągnąć, gdyż atom germanu jest większy od atomu krzemu, więc odległości pomiędzy nimi są większe.

Następnie warstwę tak rozciągniętego krzemu umieszczono na kolejnym krzemowym plastrze. Na nim umieszczono na zmianę warstwy krzemu z germanem oraz czystego krzemu. Tak przygotowany stos pocięto, a następnie usunięto warstwy krzemu z germanem, otrzymując liczne zawieszone w powietrzu nanokable z rozciągniętego krzemu.

Udało się zatem uzyskać tranzystory, w których ładunek przenoszony jest przez poruszające się elektrony. W tradycyjnych tranzystorach jest on jednak również przenoszony przez dziury. Wykorzystanie ich potencjału wymaga z kolei zupełnie innego podejścia do nanokabli. Atomy w nich powinny być nie rozciągnięte, a ściśnięte. Zespół profesor Hoyt już pracuje nad odpowiednimi nanokablami.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wynikiem współpracy uczonych z Purdue University, University of New South Wales i University of Melbourne jest najmniejszy tranzystor na świecie. Urządzenie zbudowane jest z pojedynczego atomu fosforu. Tranzystor nie tyle udoskonali współczesną technologię, co pozwoli na zbudowanie zupełnie nowych urządzeń.
      To piękny przykład kontrolowania materii w skali atomowej i zbudowania dzięki temu urządzenia. Pięćdziesiąt lat temu gdy powstał pierwszy tranzystor nikt nie mógł przewidzieć, jaką rolę odegrają komputery. Teraz przeszliśmy do skali atomowej i rozwijamy nowy paradygmat, który pozwoli na zaprzęgnięcie praw mechaniki kwantowej do dokonania podobnego jak wówczas technologicznego przełomu - mówi Michelle Simmons z University of New South Wales, która kierowała pracami zespołu badawczego.
      Niedawno ta sama grupa uczonych połączyła atomy fosforu i krzem w taki sposób, że powstał nanokabel o szerokości zaledwie czterech atomów, który przewodził prąd równie dobrze, jak miedź.
      Gerhard Klimeck, który stał na czele grupy uczonych z Purdue prowadzących symulacje działania nowego tranzystora stwierdził, że jest to najmniejszy podzespół elektroniczny. Według mnie osiągnęliśmy granice działania Prawa Moore’a. Podzespołu nie można już zmniejszyć - powiedział.
      Prawo Moore’a stwierdza, że liczba tranzystorów w procesorze zwiększa się dwukrotnie w ciągu 18 miesięcy. Najnowsze układy Intela wykorzystują 2,3 miliarda tranzystorów, które znajdują się w odległości 32 nanometrów od siebie. Atom fosforu ma średnicę 0,1 nanometra. Minie jeszcze wiele lat zanim powstaną procesory budowane w takiej skali. Tym bardziej, że tranzystor zbudowany z pojedynczego atomu ma bardzo poważną wadę - działa tylko w temperaturze -196 stopni Celsjusza. Atom znajduje się w studni czy też kanale. Żeby działał jak tranzystor konieczne jest, by elektrony pozostały w tym kanale. Wraz ze wzrostem temperatury elektrony stają się bardziej ruchliwe i wychodzą poza kanał - wyjaśnia Klimeck. Jeśli ktoś opracuje technikę pozwalającą na utrzymanie elektronów w wyznaczonym obszarze, będzie można zbudować komputer działający w temperaturze pokojowej. To podstawowy warunek praktycznego wykorzystania tej technologii - dodaje.
      Pojedyncze atomy działające jak tranzystory uzyskiwano już wcześniej, jednak teraz po raz pierwszy udało się ściśle kontrolować ich budowę w skali atomowej. Unikatową rzeczą, jaką osiągnęliśmy, jest precyzyjne umieszczenie pojedynczego atomu tam, gdzie chcieliśmy - powiedział Martin Fuechsle z University of New South Wales.
      Niektórzy naukowcy przypuszczają, że jeśli uda się kontrolować elektrony w kanale, to będzie można w ten sposób kontrolować kubity, zatem powstanie komputer kwantowy.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Uczeni z University of Manchester wpadli na pomysł, który przybliża moment praktycznego wykorzystania grafenu do budowy komputerów. Grafen jest bardzo obiecującym materiałem, ale sprawia on spory kłopot, gdy... przewodzi elektrony zbyt dobrze. To powoduje, że dochodzi do olbrzymich wycieków prądu z grafenowych urządzeń.
      Co prawda specjaliści zaprezentowali już pojedyncze grafenowe tranzystory, które pracują z częstotliwością nawet do 300 GHz, ale wycieki prądu powodują, że tranzystory takie nie mogą być zbyt gęsto upakowane. Natychmiast uległyby bowiem stopieniu.
      Naukowcy z Manchesteru zaproponowali interesujące rozwiązanie problemu. Ich zdaniem należy stworzyć grafenową diodę tunelującą.  W diodzie takiej elektrony tunelują się pomiędzy metalicznymi warstwami za pośrednictwem rozdzielającego je dielektryka.
      Doktor Leonid Ponomarenko, który stał na czele zespołu badawczego, mówi: Stworzyliśmy projekt nowej grafenowej elektroniki. Nasze tranzystory pracują dobrze. Myślę, że można je jeszcze udoskonalić, zminiaturyzować i przystosować do pracy z zegarami taktowanymi z częstotliwościami subterahercowymi.
      Nowe podejście zakłada połączenie warstw grafenu, azotkuboru i disiarczku molidenu. Tranzystory układa się warstwa po warstwie.
      Profesor Geim, jeden z wynalazców grafenu, mówi, że projekt takiego tranzystora to bardzo ważne wydarzenie, ale jeszcze ważniejsze jest prawdopodobnie wykazanie, iż można w skali atomowej układać warstwy.  Drugi wynalazca grafenu, profesor Novoselov dodaje, iż tranzystor tunelowy to jeden z niewyczerpanej gamy urządzeń, które mogą powstać za pomocą układania warstwami.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine odkryli, w jaki sposób lizozym z łez unieszkodliwia o wiele większe od siebie bakterie. Okazuje się, że enzym dysponuje "szczękami", za pomocą których przegryza się przez rzędy ścian komórkowych.
      Szczęki odgryzają ściany komórkowe bakterii, które próbują się dostać do oczu i wywołać infekcję - tłumaczy prof. Gregory Weiss. Lizozym można porównać do buldoga, który nie chce odpuścić, uczepiwszy się nogawki czyichś spodni. Zasadniczo wycina sobie drogę przez ścianę komórkową bakterii.
      Weiss i prof. Philip Collins rozszyfrowali zachowanie białka, budując jeden z najmniejszych na świecie tranzystorów - 25-krotnie mniejszy od stosowanych w laptopach czy smartfonach. Pojedyncze lizozymy przytwierdzano do obwodu.
      Nasze obwody są mikrofonami wielkości molekuły. To jak stetoskop do osłuchiwania serca, z tym że my słuchaliśmy pojedynczej cząsteczki białka - opowiada Collins.
      Naukowcy przyczepili cząsteczkę enzymu do przymocowanej do obwodu elektrycznego węglowej nanorurki. Kiedy przepuszczono przez niego prąd, nanorurka utworzyła miniaturowy mikrofon. Dzięki temu dało się podsłuchiwać enzym w czasie "przegryzania".
      W miarę jak lizozym przemieszcza się po powierzchni bakterii, wykonuje "chapnięcia", które są połączone z ruchem [na zasadzie odrzutu]. Każde ugryzienie tworzy nową minidziurkę, aż wreszcie powstaje wyrwa [...] i mikrob eksploduje - wyjaśnia Weiss. Wygryzanie zachodzi w stałym rytmie: jeden krok to otwieranie "szczęk", a dwa zamykanie.
      Zespół prowadził eksperymenty na wariantach lizozymu T4. Doprowadzono do ich nadekspresji u bakterii E. coli. Do pałeczek okrężnicy wprowadzono plazmid lizozymu.
      Naukowcy sądzą, że rozwiązanie, nad którym pracowali wiele lat, będzie można wykorzystać w wykrywaniu molekuł nowotworowych. Jeśli będzie można wykryć pojedyncze cząstki związane z nowotworem, oznacza to postawienie diagnozy na bardzo wczesnym etapie. Dysponowanie taką metodą zwiększy liczbę wyleczonych pacjentów i obniży koszty terapii.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Po dziesięciu latach pracy naukowcom z Princeton University udało się skonstruować system, który pozwala na kontrolowanie spinu elektronów w krzemie nawet przez 10 sekund. Wydłużenie czasu, w którym można kontrolować spin elektronów jest niezbędne do skonstruowania praktycznego komputera kwantowego. Dotychczas udawało się utrzymać spin elektronów przez ułamki sekund. Stany kwantowe są bardzo nietrwałe i pod wpływem czynników zewnętrznych dochodzi do ich utraty, czyli dekoherencji. Kwantowy bit, na którym mają pracować kwantowe komputery, traci swoje właściwości i staje się „zwykłym“ bitem, przyjmującym w danym momencie tylko jedną wartość, zamiast wcześniejszych wszystkich możliwych wartości.
      Profesor Stephen Lyon i Alexei Tyryshkin, który są autorami najnowszego osiągnięcia, mówią, że kluczem do sukcesu było użycie niezwykle czystej próbki krzemu-28. Częściowo zawdzięczamy to udoskonaleniu metody pomiaru, ale większość zależy od materiału. To najczystsza próbka, jakiej dotychczas używaliśmy - mówi Lyon.
      Naukowcy zamknęli kawałek krzemu-28 w stalowym cylindrze wypełnionym helem. Wewnątrz panowała temperatura 2 kelwinów. Cylinder znajdował się pomiędzy dwoma pierścieniami, które miały za zadanie kontrolować pole magnetyczne wokół próbki. Po potraktowaniu krzemu mikrofalami doszło do skoordynowania spinów około 100 miliardów elektronów. Zaszła zatem koherencja i została ona utrzymana przez niewiarygodnie długie 10 sekund. Jej utrzymanie jest niezwykle ważne dla komputerów kwantowych, gdyż działające na nich oprogramowanie będzie potrzebowało czasu np. na korekcję błędów czy i operacje na danych. Muszą być one zatem dostępne na tyle długo, by program zakończył pracę z nimi.
      Stan kwantowy może zostać zniszczony przez naturalne pole magnetyczne materiałów. Dlatego też zdecydowano się na wykorzystanie krzemu-28, który, w przeciwieństwie do tradycyjnie używanego krzemu-25 ma niezwykle słabe pole magnetyczne.
      Projekt rozpoczął się 10 lat temu. Steve przyszedł do mnie i powiedział, żebyśmy wykorzystali próbkę wolną od innych izotopów - wspomina Tyryshkin. Po trzech latach badań uczeni byli wstanie utrzymać koherencję przez 600 mikrosekund. Przez kolejne lata wypróbowywali różne materiały.
      W końcu dzięki Avogadro Project, którego celem jest opracowanie nowej definicji kilograma, udało się uzyskać próbkę niezwykle czystego krzemu-28. Międzynarodowa współpraca dała niezwykłe wyniki. Zwykle w krzemie-28 znajduje się nawet 50000 części na milion krzemu-29, do tego dochodzą inne zanieczyszczenia, które mają silne pole magnetyczne. W oczyszczonym krzemie-28 liczba atomów krzemu-29 nie przekracza 50 na milion. Taka próbka była... zbyt czysta. Dodano do niej nieco fosforu, by była ona na tyle aktywna elektrycznie, żeby reagować na mikrofale. To właśnie ta reakcja, którą Lyon i Tyryshkin nazywają „echem“, gdyż są to mikrofale emitowane przez próbkę, pozwala na odczytanie spinu elektronów.
      Bardzo trudne było znalezienie odpowiedniej liczby atomów fosforu. Ich zbyt duża liczba oznaczałaby powstanie w próbce zbyt silnego pola magnetycznnego. Z kolei za mało fosforu dałoby zbyt słabe „echo“, którego nie można by odczytać. Istotne było też znaczne obniżenie temperatury próbki, gdyż w temperaturze pokojowej elektrony fosforu są zbyt aktywne. „Uspokajają się“ dopiero w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu.
      Warto w tym miejscu przypomnieć, że już wcześniej innym zespołom naukowym udało się kontrolować spin elektronów przez równie długi czas. Wykonano nawet pewne operacje matematyczne. Jednak do eksperymentów używano jonów zamkniętych w komorach próżniowych. Lyon i Tyryshkin skupili się na krzemie, gdyż uważają, że jest on znacznie bardziej praktyczny. Współczesna elektronika już wiele dekad temu zrezygnowała przecież z lamp elektronowych na rzecz krzemu.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Współpraca naukowców z University of New South Wales, Melbourne University i Purdu University zaowocowała stworzeniem najmniejszego połączenia elektrycznego umieszczonego na krzemie. Ma ono grubość 1 atomu i szerokość 4 atomów. Mimo tak niewielkich rozmiarów transport elektronów odbywa się równie wydajnie co za pomocą tradycyjnego połączenia miedzianego.
      Osiągnięcie to ma olbrzymie znacznie na wielu polach rozwoju elektroniki i inżynierii. Pozwoli w przyszłości na dalsze zmniejszanie rozmiaru układów scalonych. Ponadto daje nadzieję na wykorzystanie w komputerach kwantowych techniki precyzyjnego wzbogacania krzemu pojedynczymi atomami.
      Prace australijsko-amerykańskiego zespołu wykazały też, że prawo Ohma ma zastosowanie w skali atomowej. To niesamowite, że Prawo Ohma, prawo tak podstawowe, zostaje zachowane przy budowaniu połączeń elektrycznych z pojedynczych cegiełek natury - stwierdził Bent Weber, jeden z twórców miniaturowych kabli. Badacze podkreślają, że połączenia były tworzone atom po atomie, co znacząco różni się od technik stosowanych we współczesnej elektronice. Obecnie usuwa się nadmiarowy materiał, a to technika trudna, kosztowna i nieprecyzyjna. Gdy schodzi się do wielkości poniżej 20 atomów, mamy do czynienia z takimi różnicami w liczbie atomów, że dalsze skalowanie jest trudne. Ale podczas tego eksperymentu stworzono urządzenie dzięki umieszczaniu pojedynczych atomów fosforu na krzemie i okazało się, że gęsto ułożony przewód o szerokości zaledwie 4 atomów działa tak, jak przewody metalowe - powiedział profesor Gerhard Klimeck z Purdue.
      Jak poinformowała profesor Michelle Simmons z University of New South Wales, która kierowała badaniami, głównym celem badań jest rozwój przyszłych komputerów kwantowych, w których pojedyncze atomy są wykorzystywane do przeprowadzania obliczeń.
×
×
  • Create New...