Modern elektroniklerin yapı taşları olan transistörler tipik olarak silikondan yapılmıştır. Bir yarı iletken olduğundan, bu malzeme bir devredeki elektrik akışını kontrol edebilir. Ancak Silikon, bir transistörün nasıl kompakt ve enerji tasarruflu olabileceğini kısıtlayan temel fiziksel sınırlara sahiptir.
MIT araştırmacıları şimdi silikonu manyetik bir yarı iletkenle değiştirdiler ve daha küçük, daha hızlı ve daha fazla enerji tasarruflu devreleri sağlayabilecek bir manyetik transistör oluşturdular. Malzemenin manyetizması elektronik davranışını güçlü bir şekilde etkiler ve elektrik akışının daha verimli kontrolüne yol açar.
Ekip, transistörün performansını artıran malzemenin kusurlarını azaltan yeni bir manyetik malzeme ve optimizasyon işlemi kullandı.
Malzemenin benzersiz manyetik özellikleri, devre tasarımını basitleştirecek ve yüksek performanslı elektronikler için yeni uygulamaların kilidini açacak yerleşik belleğe sahip transistörlere de izin verir.
“İnsanlar binlerce yıldır mıknatısları biliyorlar, ancak manyetizmayı elektroniğe dahil etmenin çok sınırlı yolları var. Gelecekteki uygulamalar ve araştırmalar için birçok olasılık açan manyetizmayı etkili bir şekilde kullanmanın yeni bir yolunu gösterdik” diyor Chung-Tao Chou, MIT lisans öğrencisi ve fiziksel olarak MIT lisans öğrencisi.
Chou, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nün (DMSE) yüksek lisans öğrencisi olan ortak lider yazar Eugene Park; DMSE araştırma bilimcisi Julian Klein; MIT Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi’nde bir doktora sonrası JOSEP Ingla-Aynes; Fizik Bölümü’nde kıdemli bir araştırma bilimcisi Jagadeesh S. Moodera; ve kıdemli yazarlar DMSE’de TDK profesörü Frances Ross; ve EEC’lerde doçent olan Luqiao Liu ve Elektronik Araştırma Laboratuvarı üyesi; Prag’daki Kimya ve Teknoloji Üniversitesi’ndeki diğerlerinin yanı sıra.
Makaleleri şurada yayınlandı Fiziksel İnceleme Mektupları.
Sınırların üstesinden gelmek
Elektronik bir cihazda, silikon yarı iletken transistörler, bir devreyi açıp kapatan veya bir iletişim sistemindeki zayıf sinyalleri yükselten küçük ışık anahtarları gibi davranır. Bunu küçük bir giriş voltajı kullanarak yaparlar.
Ancak silikon yarı iletkenlerin temel bir fiziksel sınırı, bir transistörün belirli bir voltajın altında çalışmasını önler ve bu da enerji verimliliğini engeller.
Daha verimli elektronikler yapmak için araştırmacılar, elektrik akışını kontrol etmek için elektron spin kullanan manyetik transistörlere doğru onlarca yıl geçirdiler. Elektron spin, elektronların küçük mıknatıslar gibi davranmasını sağlayan temel bir özelliktir.
Şimdiye kadar, bilim adamları çoğunlukla belirli manyetik malzemeler kullanmakla sınırlıdır. Bunlar, cihaz performansını kısıtlayan yarı iletkenlerin uygun elektronik özelliklerinden yoksundur.
Liu, “Bu çalışmada, yararlı spintronic cihazları gerçekleştirmek için manyetizmayı ve yarı iletken fiziğini birleştiriyoruz” diyor.
Araştırmacılar, bir transistörün yüzey tabakasındaki silikonu, manyetik bir yarı iletken görevi gören iki boyutlu bir malzeme olan krom kükürt bromürü ile değiştirir.
Malzemenin yapısı nedeniyle, araştırmacılar iki manyetik durum arasında çok temiz bir şekilde geçiş yapabilirler. Bu, “on” ve “kapalı” arasında sorunsuz bir şekilde geçiş yapan bir transistörde kullanım için idealdir.
Chou, “Karşılaştığımız en büyük zorluklardan biri doğru malzemeyi bulmaktı. İşe yaramayan diğer birçok malzemeyi denedik” diyor.
Bu manyetik durumların değiştirilmesinin malzemenin elektronik özelliklerini değiştirdiğini ve düşük enerjili işlemin sağlanmasını keşfettiler. Ve diğer birçok 2D malzemenin aksine, krom kükürt bromür havada stabil kalır.
Bir transistör yapmak için, araştırmacılar elektrotları bir silikon substrat üzerine desenler, daha sonra 2D malzemeyi üstüne dikkatlice hizalayın ve aktarırlar. Sadece birkaç on nanometre kalınlığında küçük bir malzeme parçası almak için bant kullanırlar ve substrata yerleştirirler.
Chou, “Birçok araştırmacı transferi yapmak için çözücü veya tutkal kullanacak, ancak transistörler çok temiz bir yüzey gerektiriyor. Bu adımı basitleştirerek tüm bu riskleri ortadan kaldırıyoruz.”
Manyetizma’dan yararlanmak
Bu kontaminasyon eksikliği, cihazlarının mevcut manyetik transistörlerden daha iyi performans göstermesini sağlar. Diğerleri sadece zayıf bir manyetik etki yaratabilir ve akım akışını yüzde birkaç veya daha az değiştirebilir. Yeni transistörleri elektrik akımını 10 kat değiştirebilir veya yükseltebilir.
Malzemenin manyetik durumunu değiştirmek için harici bir manyetik alan kullanırlar, transistörü genellikle gerekenden önemli ölçüde daha az enerji kullanarak değiştirirler.
Malzeme ayrıca manyetik durumları elektrik akımı ile kontrol etmelerini sağlar. Bu önemlidir, çünkü mühendisler elektronik bir cihazdaki tek tek transistörlere manyetik alanlar uygulayamazlar. Her birini elektriksel olarak kontrol etmeleri gerekir.
Malzemenin manyetik özellikleri, dahili belleğe sahip transistörleri de mümkün kılabilir ve mantık veya bellek devrelerinin tasarımını basitleştirebilir.
Tipik bir bellek cihazı, bilgileri saklamak için manyetik bir hücre ve okumak için bir transistöre sahiptir. Yöntemleri her ikisini de bir manyetik transistör halinde birleştirebilir.
Liu, “Şimdi, sadece transistörler açılıp kapanmakla kalmıyor, aynı zamanda bilgileri de hatırlıyorlar. Ve transistörü daha fazla büyüklükle değiştirebileceğimiz için sinyal çok daha güçlü, bu yüzden bilgileri daha hızlı ve çok daha güvenilir bir şekilde okuyabiliriz.”
Bu gösteriye dayanarak, araştırmacılar cihazı kontrol etmek için elektrik akımı kullanımını daha fazla incelemeyi planlıyorlar. Ayrıca, transistör dizilerini üretebilmeleri için yöntemlerini ölçeklenebilir hale getirmek için çalışıyorlar.
