האם תם עידן הסיליקון? טרנזיסטורים בלי מוליכים למחצה

צוות החוקרים הצליח לפתח משטחים של ננו-שפופרות בור ניטריד שהיו חומרים מבודדים ולפיכך יכלו להיות עמידים במיוחד לזרם חשמלי. הם התחילו להעביר זרם חשמלי באופן סלקטיבי כשהוספו להם ננו נקודות זהב

מזה עשרות בשנים שהתקנים אלקטרוניים הופכים לזעירים יותר ויותר; כעת אפשר, אפילו באורח שגרתי, למקם מיליוני טרנזיסטורים בשבב סיליקון יחיד.

אולם, טרנזיסטורים המבוססים על מוליכים למחצה יכולים להגיע לרמת מזעור סופית. “בקצב בו מתקדמת הטכנולוגיה הקיימת היום, בתוך 20-10 שנים לא ניתן יהיה למזער עוד את השבבים,” אומר הפיסיקאיYoke Khin Yap מהאוניברסיטה הטכנולוגית של מישיגן. “כמו-כן, למוליכים למחצה יש חיסרון נוסף – הם גורמים לאובדן אנרגיה ניכר בצורת פליטת חום.”

מדענים ביצעו ניסויים רבים עם חומרים ועיצובים שונים של טרנזיסטורים לפתרון בעיה זו, ותמיד זה היה באמצעות מוליכים למחצה כגון סיליקון. בשנת 2007 החוקרYap רצה לנסות משהו אחר שעשוי לסלול את הדרך לעידן חדש של רכיבי אלקטרוניקה. “הרעיון שלי היה לפתח טרנזיסטור הכולל חומר בידוד ננומטרי שעליו נמצאות ננו-מתכות מוליכות,” הסביר החוקר. “בעיקרון, יכולנו לקחת חתיכת פלסטיק ולפזר מעליה אבקת מתכת לקבלת ההתקן הזה. אולם, ניסינו ליצור זאת ברמה ננומטרית, כך שבחרנו בחומר הבידוד הננומטרי ננו-שפופרות של בור ניטריד (BNNTs) בתור המצע.”

צוות החוקרים הצליח לפתח משטחים של ננו-שפופרות בור ניטריד שהיו חומרים מבודדים ולפיכך יכלו להיות עמידים במיוחד לזרם חשמלי. בשלב הבא הצליח הצוות, בעזרת לייזר, לעגן נקודות קוונטיות של זהב בגודל של 3 ננומטרים לאורך הצד העליון של ננו-השפופרות, וזאת ליצירת החומר נקודות קוונטיות-ננו-שפופרות בור ניטריד (QDs-BNNTs). ננו-השפופרות הללו מהוות את המצע המושלם לנקודות קוונטיות בזכות הממדים הקטנים, האחידים והניתנים לבקרה שלהם. בשלב הבא, החוקרים חיברו אלקטרודות לקצות החומר החדש בטמפרטורת החדר וברגע זה התרחשה תופעה מסקרנת – אלקטרונים “דילגו” באורח מדויק ביותר מנקודת זהב אחת לשנייה מאלקטרודה אחת לשנייה, תופעה הידועה בשם “מינהור קוונטי” (quantum tunneling).
“דמיינו לעצמכם שננו-השפופרות הם נהר, כאשר קיימת אלקטרודה בכל אחת מגדות הנהר. עכשיו דמיינו שנמצאות אבני נהר קטנות במיוחד לרוחב הנהר, בין שתי הגדות,” אומר החוקר. “האלקטרונים מדלגים מאבן אחת לשנייה ולאור העובדה כי הן כה זעירות, רק אלקטרון אחד יכול להימצא על כל אחת מהן באותו רגע. כל האלקטרונים עוברים באותו המסלול, כך שההתקן נשאר יציב תמיד.”
בסופו של דבר, החוקרים הצליחו ליצור טרנזיסטור מבלי להשתמש בחומרים מוליכים למחצה. כאשר לחומר הוזרם מתח מספיק גדול הוא עבר למצב של חומר מוליך. כאשר הזרם הופחת או הופסק כליל, החומר חזר למצבו המקורי כחומר מבודד. ומעבר לכך, לא הייתה כל “דליפה”: אף אחד מהאלקטרונים שעבר בנקודות הזהב לא “דלף” לתוך ננו-השפופרות המבודדות עצמן, מה שהותיר את ערוץ המינהור קר. בניגוד לכך, בחומר סיליקון קיימת דליפה מסוג זה, תופעה הגורמת לאובדן ניכר של אנרגיה בהתקנים אלקטרוניים בצורת פליטת חום.

גם חוקרים אחרים הצליחו לפתח טרנזיסטורים המנצלים את תופעת המינהור הקוונטי, אומר הפיזיקאי John Jaszczak שהוא החוקר אשר ניסח את המסגרת התיאורטית למחקרו היישומי של Yap. אולם, התקני מינהור אלו הצליחו לפעול רק בתנאים שלא היו מותאמים למשתמש הרגיל בחיי היומיום, והם פעלו רק בטמפרטורות נמוכות במיוחד שאליהן הגיעו בעזרת הליום נוזלי. הסוד להתקן הזהב-ננו-שפופרת החדש הוא הגודל התת-מיקרוסקופי שלו: באורך של 1 מיקרון וברוחב של 20 מיקרונים. “הגודל של איי הזהב צריך להיות בסדר גודל של ננומטרים אחדים על מנת לשלוט בזרימת האלקטרונים בטמפרטורת החדר,” מסביר החוקר. “אם הם יהיו גדולים מדי, יתאפשר מעבר של אלקטרונים רבים בכל פעם”. במקרה זה – קטן יותר הוא אכן טוב יותר: “העבודה עם ננו-שפופרות ונקודות קוונטיות מקדמת אותך לרמה הננומטרית שאתה רוצה להשתמש בה לפיתוח התקנים אלקטרוניים. באופן תיאורטי, ניתן למזער את ערוצי המינהור הללו לממדים כמעט אפסיים כאשר המרחק שבין האלקטרודות מופחת לשבר מגודל מיקרוני,” מציין החוקר הראשי.

הידיעה על המחקר