新发现推进了未来晶体管的微型化

不断缩小的晶体管是计算机处理速度更快，效率更高的关键。自20世纪70年代以来，电子技术很大程度上是以缓慢平稳的步伐在进步，这些微小的元件同时发展得越来越小，越来越强大 - 直至当前的纳米级尺寸。但随着研究人员努力克服晶体管是否已经达到了其尺寸极限，近年来晶体管尺寸缩小技术进展缓慢。在阻碍进一步小型化的障碍列表中名列前茅的是：“泄漏电流”造成的问题。 Y6Q6--P  
)nVx 2m4  
当两个金属电极之间的间隙变窄到电子不再被其势垒所阻挡时，就会产生漏电流，这种现象称为量子力学隧道效应。随着间隙持续变窄，这种隧穿传导以指数级的更高速率增加，使得进一步小型化极具挑战性。研究者们一直认为，真空势垒是减少隧穿效应的最有效手段，使其成为绝缘晶体管的最佳选择。但是，即使是真空势垒也可能会由于量子隧穿效应而导致一些泄漏。 u[@*}|uXM  
n9ih^H  
在一个高度跨学科的合作中，来自哥伦比亚工程学院、哥伦比亚大学化学系、上海师范大学和哥本哈根大学的研究人员颠覆了传统观念，合成了第一个能够比真空势垒更有效的纳米尺度的绝缘分子。他们的研究结果在Nature上发表了在线文章（“Comprehensive suppression of single-molecule conductance using destructive δ-interference”）。 v4zARE9#  
&kt#p;/p?  
Bf'(JJ7&N  
“我们已经达到了对于研究人员来说为重新设计绝缘体开发创造性解决方案的关键点。我们的分子策略代表了经典器件的一种新设计原理，并有可能在短期内支持持续的小型化。”哥伦比亚工程物理学家兼合作者Latha Venkataraman说，他是研究员Haixing Li进行该项目的实验工作的实验室负责人。哥伦比亚大学化学系的Colin Nuckolls实验室与上海师范大学的Shengxiong Xiao合作进行了分子合成。
N11am  
Pr"ESd>Y  
该团队的想法是利用电子的波动性。通过设计一种长度不超过1纳米，表现出全面破坏性干涉特征的非常刚性的硅基分子，他们设计了一种新型技术，用于阻挡纳米尺度的隧道传导。“这种基于量子干涉的方法为短的绝缘分子树立了一个新标准，”哥本哈根大学所罗门实验室的化学家、该研究的主要作者Marc Garner说，他负责该研究的理论工作。 “理论上，干扰可以完全消除隧穿效应，并且我们已经表明，我们的分子中的绝缘组分比相同尺寸的真空间隙的导电性更低。同时，我们的工作也改进了最近对碳基系统的研究，这些系统被认为是迄今为止最好的分子绝缘体。 >@o*v*25  
s,8
%;\!C  
“破坏性量子干涉发生在两个波的波峰和波谷完全反相时，振荡抵消。电子波可以被认为与声波类似 - 流过障碍就像声波“渗漏”穿过墙壁一样。该团队的合成分子表现出的独特性质减轻了隧道效应，而不需要在使用更厚的墙（比喻说法，意指更强的势垒）。 TY}?>t+  
yo=d"*E4^  
他们的基于硅的策略也提供了潜在更多的工厂就绪解决方案。尽管最近对碳纳米管的研究在未来十年左右有希望应用于工业上，但这种与当前的工业标准兼容的绝缘体可能更容易实现。 7tQiKrhp  
eX/$[SL[  
“祝贺该团队取得了这一突破，”Mark Ratner说，他是分子电子领域的先驱和西北大学荣誉教授但并未参与此项研究。“直到目前，使用干扰来创建绝缘体一直被忽略了。这项研究论证了在硅基δ系统中的干扰能力，这是相当令人印象深刻的。” k5/}S@F8  
w.jATMJ)F  
这一突破源于该团队在2010年开始的硅基分子电子学大型项目。该小组通过逆势而为，得到了最新发现。该领域的大多数研究旨在创造高传导的分子，因为低电导率很少被认为是电子学中理想的特性。然而，由于在小型器件中由漏电流引起的固有的能量效率低，绝缘组件实际上可能证明对未来的晶体管优化具有更大的价值。 L K$hV"SYb  
nNr3'6lz  
因此，他们的工作使得对分子尺度器件中传导和绝缘的基本机制产生了新的认识。研究人员将在此基础上进一步阐明硅基分子组分中结构 - 功能关系的细节。 Y,r2m nq  
j--#vEW  
“这项工作对我们来说是非常令人满意的，因为在这个过程中我们一再发现新现象，”Venkataraman说。“我们之前已经证明了硅分子导线可以用作开关，现在我们已经证明通过改变它们的结构，我们可以制造绝缘体。在这个领域需要学习的东西很多，这将有助于塑造纳米级电子产品的未来。“ Z'~FZRF  
bBf+z7iyc  
原文链接：https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=50374.php（实验帮译）