Los transistores cada vez más pequeños son la clave para un procesamiento informático más rápido y eficiente. Desde la década de 1970, los avances en la electrónica han sido impulsados en gran medida por el ritmo constante con el que estos pequeños componentes se han vuelto más pequeños y más potentes al mismo tiempo, hasta sudimensiones en la escala nanométrica. Pero los últimos años han visto esta meseta de progreso, mientras los investigadores lidian con si los transistores finalmente pueden haber alcanzado su límite de tamaño. Entre los principales obstáculos que se interponen en el camino de una mayor miniaturización: problemas causados por la "corriente de fuga"."
La corriente de fuga se produce cuando la brecha entre dos electrodos metálicos se estrecha hasta el punto en que los electrones ya no están contenidos por sus barreras, un fenómeno conocido como túnel mecánico cuántico. A medida que la brecha continúa disminuyendo, esta conducción de túnel aumenta a una tasa exponencialmente mayor., lo que hace que la miniaturización adicional sea extremadamente desafiante. El consenso científico ha sostenido durante mucho tiempo que las barreras de vacío representan el medio más eficaz para reducir los túneles, lo que las convierte en la mejor opción general para aislar transistores. Sin embargo, incluso las barreras de vacío pueden permitir algunas fugas debido a los túneles cuánticos.
En una colaboración altamente interdisciplinaria, investigadores de Columbia Engineering, el Departamento de Química de la Universidad de Columbia, la Universidad Normal de Shanghai y la Universidad de Copenhague han invertido la sabiduría convencional, sintetizando la primera molécula capaz de aislar a escala nanométrica de manera más efectiva que una barrera de vacío.. Sus hallazgos se publican hoy en línea en Naturaleza .
"Hemos llegado a un punto en el que es fundamental que los investigadores desarrollen soluciones creativas para rediseñar aisladores. Nuestra estrategia molecular representa un nuevo principio de diseño para dispositivos clásicos, con el potencial de respaldar la miniaturización continua en el corto plazo", dijo Columbia Engineeringel físico y coautor Latha Venkataraman, que dirige el laboratorio donde el investigador Haixing Li llevó a cabo el trabajo experimental del proyecto. La síntesis molecular se llevó a cabo en el laboratorio Colin Nuckolls del Departamento de Química de Columbia, en colaboración con Shengxiong Xiao en la Universidad Normal de Shanghai.
La idea del equipo fue explotar la naturaleza ondulatoria de los electrones. Al diseñar una molécula basada en silicio extremadamente rígida de menos de 1 nm de longitud que exhibía firmas de interferencia destructivas integrales, idearon una técnica novedosa para bloquear la conducción de túnel a nanoescala.
"Este enfoque basado en interferencia cuántica establece un nuevo estándar para las moléculas aislantes cortas", dijo el autor principal Marc Garner, químico del Laboratorio Solomon de la Universidad de Copenhague, que manejó el trabajo teórico. "Teóricamente, la interferencia puede conducir a una cancelación completade probabilidad de tunelización, y hemos demostrado que el componente aislante de nuestra molécula es menos conductor que un espacio de vacío de las mismas dimensiones. Al mismo tiempo, nuestro trabajo también mejora la investigación reciente sobre sistemas basados en carbono, que se pensaba que eranlos mejores aislantes moleculares hasta ahora. "
La interferencia cuántica destructiva ocurre cuando los picos y valles de dos ondas se colocan exactamente fuera de fase, anulando la oscilación. Las ondas electrónicas pueden considerarse análogas a las ondas sonoras: fluyen a través de barreras como las ondas sonoras se "filtran" a través de las paredes.Las propiedades únicas exhibidas por la molécula sintética del equipo mitigaron la formación de túneles sin requerir, en esta analogía, una pared más gruesa.
Su estrategia basada en silicio también presenta una solución potencialmente más lista para la fábrica. Si bien la investigación reciente sobre nanotubos de carbono es prometedora para aplicaciones industriales durante la próxima década, este aislante, compatible con los estándares actuales de la industria, podría ser más fácilimplementado.
"Felicitaciones al equipo por este avance", dijo Mark Ratner, un pionero en el campo de la electrónica molecular y profesor emérito de la Universidad de Northwestern que no participó en el estudio. "El uso de interferencias para crear un aislante se ha ignorado hastaesta fecha. Este artículo demuestra la capacidad de interferencia, en un sistema sigma basado en silicio, que es bastante impresionante ".
Este avance surgió a partir del proyecto más grande del equipo sobre electrónica de moléculas basadas en silicio, iniciado en 2010. El grupo llegó a su último descubrimiento desafiando la tendencia. La mayoría de las investigaciones en este campo tienen como objetivo crear moléculas altamente conductoras, ya que la baja conductancia esrara vez se considera una propiedad deseable en la electrónica. Sin embargo, los componentes aislantes en realidad pueden resultar de mayor valor para la optimización futura de los transistores, debido a las ineficiencias energéticas inherentes causadas por las corrientes de fuga en dispositivos más pequeños.
Como resultado, su trabajo ha proporcionado una nueva comprensión de los mecanismos subyacentes fundamentales de conducción y aislamiento en dispositivos de escala molecular. Los investigadores se basarán en esta información aclarando a continuación los detalles de las relaciones estructura-función en componentes moleculares basados en silicio.
"Este trabajo ha sido extremadamente gratificante para nosotros, porque en el transcurso del mismo hemos descubierto repetidamente nuevos fenómenos", dijo Venkataraman. "Hemos demostrado anteriormente que los cables moleculares de silicio pueden funcionar como interruptores, y ahora hemos demostrado quealterando su estructura, podemos crear aislantes. Hay mucho que aprender en esta área que ayudará a dar forma al futuro de la electrónica a nanoescala ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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