استعراض

مؤخرا، أظهرت وزارة الخارجية الأمريكية في مختبر لورانس بيركلي الوطني للطاقة للمرة الأولى آثار مادة رقيقة جدا تسمى التحول "طوبولوجيا ديراك شبه المعدنية" في. هذه المواد يمكن أن تحمل خسارة التهمة هي ما يقرب من الصفر في درجة حرارة الغرفة. مختبر بيركلي في جامعة موناش في أستراليا، نمت العلماء من هذه المادة من نقطة الصفر، ودراسة من خلال أشعة X.

خلفية

تقريبا كل يوم ونحن استخدام الهواتف الذكية، ولكن قلة من الناس يعرفون: الهواتف الذكية قوية قدرة الحوسبة تأتي من؟

الجواب هو: مليارات الترانزستورات في دعم هذه القدرة القوية. الدولة الترانزستور التبديل السريع، لتحقيق السيطرة على تدفق الإلكترونات.

"قانون مور" الشهيرة لديها من وأشار: "عندما ظلت أسعار دون تغيير، وعدد الترانزستورات على الدوائر المتكاملة يمكن أن تستوعب ما يقرب من ستتضاعف 18 شهرا، كما سيتم مضاعفة أداء كل." وهكذا، فإن التغيير الالكترونيات أصغر وأصغر، والترانزستور أن تستوعب أكثر وأكثر. ومع ذلك، مع الإنسان إلى ما يسمى ب "Houmo ايه تايم"، على حجم رقاقة يتقلص الترانزستور وزيادة عدد إيجابية إبطاء السرعة، لأن "المواد التقليدية (أساسا السيليكون)" الترانزستورات المصنوعة يقترب بها البدنية الحد. مرة واحدة أقل من 5 نانومتر، الالكترونات في الترانزستور هي عرضة لل"تأثير الكم نفق"، والترانزستور لن تكون موثوقة.

المواد الترانزستور "الكفاءة المنخفضة عموما" سوف يسبب فقدان الطاقة وتوليد الحرارة الناتجة في عمر البطارية القصير. لذلك، يقوم الباحثون مطاردة بحماس مواد بديلة للأجهزة الإلكترونية لتحقيق "انخفاض استهلاك الطاقة، وارتفاع الكفاءة التشغيلية." هذه المواد هي المواد ثنائية الأبعاد كما الممثل الرئيسي، تليها بعض الأمثلة الكلاسيكية تظهر مدى ملاءمة البحث العلمي:

1) مختبر لورنس بيركلي الوطني، واستخدام أنابيب الكربون النانوية وثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2) وضعت أصغر ترانزستور في العالم، والتي الترانزستور هو فقط 1 نانومتر عملية التصنيع.

ويبين الشكل التالي تخطيطيا من الترانزستور التي تحتوي على ثاني كبريتيد الموليبدينوم الأنابيب النانوية مع دائرة بوابة نانومتر

(المصدر: Sujay ديساي / جامعة كاليفورنيا في بيركلي)

2) باحثون من جامعة ماكجيل وجامعة مونتريال أظهرت دراسة أنه من المتوقع أن تكون المواد مرشح جيدة جدا الترانزستور الفسفور الأسود.

العسل مطوية المخطط الهيكلي من الفوسفور الكريستال السوداء (المصدر: وحيد Tayari جامعة / ماكجيل)

3) جامعة دبلن العلماء كلية ترينيتي باستخدام مواد ذات بعدين (الجرافين، ثنائي سيلينيت التنغستن، نيتريد البورون) النافثة للحبر الطباعة الترانزستورات.

(المصدر: جامعة دبلن، كلية ترينيتي)

4) الباحثين في فريق من الباحثين في جامعة فيينا، النمسا ومشروع التعاون التقني الاتحاد الأوروبي الجرافين الرئيسي الذي وضعه ثنائي الأبعاد المادية الترانزستور ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2) مصنوعة.

(المصدر: جامعة ستيفان اشتر / فيينا للتكنولوجيا)

5) السويسري المختبر الوطني الاتحادي للاختبارات والمواد (إمبا) وألمانيا ومعهد بلانك الولايات المتحدة الأمريكية، جامعة كاليفورنيا، بيركلي الباحثين للتعاون، لإنشاء نانومتر الترانزستورات من أنتجت nanoribbons الجرافين بها، عرض سمك سوى عدد قليل من الذرات.

(المصدر: مرجع [2])

6) EPFL (وEPFL) الباحثون باستخدام مواد يومين بعدين: ثنائي سيلينيت التنغستن (WSe2) وثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2)، لإنتاج نوع جديد من "الأكسيتون" الترانزستور أساس.

وعلاوة على ذلك، في مقال سابق، وقدم أيضا مادة غريبة: "طوبولوجيا المادية." هذه المواد الناقل هي دولة الإلكترون "قوية"، عن عيوب واضطراب وظيفة المناعة بسبب التماثل، ونثر لا يحدث. هذه الحماية التماثل لجلب التنقل الناقل عالية، لذلك أن المقاومة هي منخفضة، حتى الصفر. ولذلك، فإنه من المتوقع أن تقلل بشكل كبير من كمية الحرارة الناتجة عن الأجهزة الإلكترونية لتحسين كفاءة استخدام الطاقة.

أطلقت جامعة ولاية لويزيانا، جامعة تولين، مختبر أوك ريدج الوطني، مختبر المجال المغناطيسي الوطنية العليا، جامعة ولاية فلوريدا وجامعة الباحثين نيو اورليانز دراسة مشتركة، ذكرت لأول مرة هذا السلوك في طوبولوجيا المجال المغناطيسي لل الملاحظات.

(المصدر: مختبر أوك ريدج الوطني)

وقال الباحثون الأولى ملاحظاتهم أصبحت معلما هاما في تطوير مواد الكم جديدة، وفرص جديدة مفتوحة للتنقيب عن المتابعة. هذا السلوك ناقلات عديمة الكتلة تقريبا، وتوفير إمكانيات جديدة لدراسة مفهوم الأجهزة المنخفضة للطاقة الجديدة.

ابتكار

اليوم، أريد أن أعرض مادة طوبولوجيا تطبيق جديدة في منطقة الترانزستور.

مؤخرا، أظهرت وزارة الخارجية الأمريكية في مختبر لورانس بيركلي الوطني للطاقة (مختبر بيركلي) للمرة الأولى في التحول الالكتروني من مادة "الجديدة" رقيقة جدا. هذه المواد يمكن أن يكون "قرب الصفر الخسارة" في درجة حرارة الغرفة لتحمل شحنة. عندما تكون هذه المواد تخضع لحقل كهربائي منخفض الحالي، أظهر الباحثون مثل هذا التأثير التبديل.

جامعة موناش (جامعة موناش) في أستراليا وفريق البحث باحثون أمريكيون مختبر بيركلي العلماء من الصفر نمت من هذه المواد التي تقودها، ومن خلال البنية التحتية زارة الخارجية الامريكية للمختبر لورنس بيركلي الوطني للطاقة متقدم مصدر الضوء (ALS) في دراسة أشعة X من هذه المواد.

ويشار إلى هذه المواد إلى مادة "صوديوم البزموت (Na3Bi)"، أشار إلى أنه "طوبولوجيا ديراك semimetal"، و. وهذا يعني أنه لديه خصائص الإلكترونية فريدة من نوعها، يمكن ضبطها لأداء مختلف، في بعض الحالات مثل "المواد التقليدية"، بينما في حالات أخرى مثل "المواد طوبولوجيا". وفي وقت سابق، أطلقت في التجربة ALS، تم تأكيد الخصائص الطبوغرافية لهذه المواد لأول مرة.

الاسترالي السنكروترون، جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم في جامعة سنغافورة الوطنية، جامعة إلينوي في أوربانا - شامبين، جامعة ييل - الجامعة الوطنية في سنغافورة كما شارك العلماء في الدراسة. وأيد البحث من قبل مكتب وزارة الطاقة للعلوم، بدعم من مركز أبحاث المجلس الأسترالي للتدريب أموال المشروع التميز وDECRA والمشاريع الدولية والوصول إلى مركز أبحاث السنكروترون النحافة الذرية من جامعة موناش المادية. تفاصيل الأبحاث المنشورة في مجلات علمية ديسمبر 10 قضية "الطبيعة (نيتشر)".

الشكل التالي من اليسار إلى اليمين: المتقدم مصدر الضوء مختبر بيركلي (ALS) هو باحث ما بعد الدكتوراه Shujie تانغ، ALS الباحث سونغ كوان مو، الباحث في جامعة موناش جيمس كولينز ومارك ادموندز في نوفمبر تشرين الثاني 10.0.1 لإجراء تجارب في ALS خط الأشعة التقاط الصور مع الصور.

(المصدر: مارلين تشونغ / مختبر بيركلي)

تكنولوجيا

ومن المتوقع طوبولوجيا المواد للحد من فقدان الطاقة وفقدان الطاقة في الجهاز، وبالتالي يعتبر أن يكون الجيل القادم من مرشح مواد الترانزستورات وغيرها من التطبيقات الإلكترونية والكمبيوتر "واعدة" أ. هذه الخصائص يمكن أن تبقى في درجة حرارة الغرفة، فيما يتعلق بالحاجة إلى الموصلات الفائقة درجات الحرارة المنخفضة المتطرفة، وهذا هو التمييز مهم جدا. وعلاوة على ذلك، عندما مادة جود خلل بنيوي أو تحت الضغط، ويمكن الحفاظ على هذه الخصائص.

الخصائص الطوبوغرافية للمادة، مع التركيز على مجالات المجتمع العلمي العالمي. النظرية جائزة البحوث الخصائص الطوبوغرافية للمادة المتعلقة جائزة نوبل 2016 في الفيزياء لذلك.

وقال ALS الباحثين المشاركين في الدراسة الأخيرة سونغ كوان مو انها ستدرس المادي بسهولة من ALS "دولة موصل" الى "دولة (دولة غير موصل) العزل" لتطبيقات المستقبل الترانزستور هو علامة جيدة.

جانبا رئيسيا آخر من هذه الدراسة هو أحدث ووجد فريق جامعة موناش وسيلة، بطريقة رقيقة جدا (ركاكة ما يعادلها من ذرات الصوديوم مع طبقة واحدة من ذرات البزموت مرتبة في العسل مثل) النمو منه، والسيطرة لخلق سمك كل طبقة.

وقال مو: "إذا كنت تريد أن تجعل من الجهاز، قد ترغب في رقيقة ثبت Na3Bi يمكن القيام به هذه الدراسة، ويمكن التحكم التوصيل الكهربائي من خلال الترانزستورات منخفضة الجهد بسيطة وطوبولوجيا من وجهة نظرنا أقرب. خطوة ".

في أحدث الدراسات، ويزرع "خط شعاع ALS (خط الأشعة) 10.0.1" من "فراغ عالية جدا" حالة والباحثين العاملين في عملية تسمى "شعاع تناضد الجزيئية" على رقاقة السيليكون عينة من الجانب المادي تصل إلى بضعة ملليمترات. ويسمح خط الأشعة تمكنوا من زراعة العينة تحت فراغ وتوسيع التجربة لمنع التلوث الباحثين.

كما هو موضح في الشكل التالي: الباحث في جامعة موناش جيمس كولينز التجربة الاسترالية التي أجريت كجزء من مصدر الضوء المتقدم مختبر بيركلي خط الأشعة 10.0.1.

(المصدر: مارلين تشونغ / مختبر بيركلي)

هذا الخط شعاع يسمى "حل-زاوية الضوئية الطيفي (ARPES)" تكنولوجيا أشعة X التخصص، والذي يوفر معلومات حول كيفية نقل الإلكترونات في المواد. في طوبولوجيا نموذجية من المواد، وتدفق الإلكترونات على طول حافة المواد، بينما أجزاء أخرى من المواد عازل تعوق تدفق الإلكترونات.

كما هو موضح في الشكل التالي: مصدر الضوء المتقدم في مختبر بيركلي الباحثين تستخدم تكنولوجيا الأشعة السينية يسمى "ARPES" اطلاق النار على هذه الصور. معرض الصور من مجموعة الطاقة رقيقة جدا من الإلكترونات في هذه المادة.

(المصدر: مختبر بيركلي، جامعة موناش)

الاسترالي السنكروترون (استراليا السنكروترون) أطلقت أيضا عددا من عينات مماثلة لتجربة أشعة X، للتدليل على Na3Bi رقيقة جدا دون الاعتماد على الدعم، وليس مع رقاقة السيليكون (Na3Bi نمت السيليكون أعلاه) التفاعلات الكيميائية. الباحثون أيضا مجهر المسح النفقي جامعة موناش (تستخدم لمساعدة تأكيد القياسات الأخرى) لدراسة العينات.

هو مبين أدناه: خط الأشعة 10.0.1 المتقدم مصدر الضوء أدوات ومرافق مختبر بيركلي للنمو ومواد معينة تعرف باسم "الصوديوم البزموت" في.

(المصدر: مارلين تشونغ / مختبر بيركلي)

جامعة موناش الفيزيائي، قال زعيم بحث كافة ادموندز: "على حافة الطريق، حركة الإلكترونية إلا في اتجاه واحد ويعني ذلك أنه لا يوجد" ارتدادي "و" تشتت ارتدادي "تؤدي إلى الموصلات التقليدية. توليد المقاوم ".

كما هو مبين في الشكل أدناه: الفيزياء جامعة موناش كافة ادموندز هو المتقدم مصدر الضوء خط الأشعة 10.0.1 عمل مختبر بيركلي.

(المصدر: مارلين تشونغ / مختبر بيركلي)

في هذه الحالة، وجد الباحثون أن: عندما يتعرض مادة رقيقة للحقول الكهربائية، وسوف تصبح موصل تماما، وعندما يتعرض لحقول كهربائية أعلى قليلا تؤثر والمواد برمتها تصبح عازل.

قيمة

يمثل مو، لتحقيق تطبيق هذه المواد، و"تبديل محرك كهربائي" خطوة هامة. دراسات أخرى تحاول آلية مطاردة "المنشطات الكيميائية" أو "سلالة الميكانيكية" مثل أكثر تحديا لرقابة وعمليات التحول.

وقال ادموندز: "إن فريق البحث مستمرة لدراسة عينات أخرى يمكن أن يكون التبديل بطريقة مشابهة للاسترشاد بها في تطوير جيل جديد من الأجهزة الإلكترونية منخفضة للغاية القوة."

يشارك في الدراسة في الفيزياء جامعة موناش مايكل الفوهرر قال: "هذا الاكتشاف هو اتجاه طوبولوجيا من الترانزستور الحوسبة خطوة نحو التغيير". وأضاف: "لالحوسبة الحديثة التي تواجه البشرية في تزايد التحديات من هدر الطاقة، ويوفر طوبولوجيا الإلكترونيات فائقة منخفضة الطاقة إجابة محتملة. تكنولوجيا المعلومات والاتصالات تستهلك 8 من الكهرباء في العالم، وهذا الرقم يتضاعف كل عشر سنوات. "

الكلمة

الترانزستورات، وأشباه الموصلات، والمواد طوبولوجيا، الكمبيوتر

المواد المرجعية

[1] https://newscenter.lbl.gov/2018/12/10/topological-matters-toward-a-new-kind-of-transistor/

[2] خوان بابلو يناس، أندرو Fairbrother، غابرييلا بورين بارين، وو شي، Kyunghoon لي، شوانغ وو، بيونغ يونغ تشوي، روهيت براجانزا، الأردن لير، نيكولاس كاو، Wonwoo تشوي، تشن تشن، الزهراء Pedramrazi، تيم Dumslaff، Akimitsu ناريتا ، Xinliang فنغ، كلاوس مولن، فيليكس فيشر، ألكس زيتل، باسكال Ruffieux، إيلي يابلونوفيتش، مايكل Crommie والرومانية Fasel، جيفري بوكور. قناة قصيرة الترانزستورات مجال التأثير مع 9 ذرة و 13 ذرة أنتجت nanoribbons الجرافين واسعة . طبيعة الاتصالات، 2017 (8)؛ (1) دوى: 10.1038 / s41467-017-00734-X

[3] جيمس كولينز، انطون Tadich، Weikang وو، ليديا C. جوميز، جواو NB رودريغز، تشانغ ليو، جاك Hellerstedt، هيجين ريو، Shujie تانغ، سونغ كوان مو، Shaffique آدم، Shengyuan A. يانغ، مايكل S . الفوهرر، مارك T. ادموندز. ضبطها الكهربائية والميداني مرحلة انتقالية الطوبوغرافية في سامسونج Na3Bi . الطبيعة، 2018، دوى: 10.1038 / s41586-018-0788-5