Atomen in een schema van halfgeleider Ultra-dunne filmkrediet: Alessio Zaccone met chatgpt
Consumentenelektronische apparaten worden gemaakt van materialen die we al meer dan 60 jaar gebruiken, voornamelijk silicium, germanium en koper. Waarom zijn halfgeleiderelektronica in deze tijd steeds snel steeds sneler geworden?
Ik zou beweren dat dit te wijten is aan miniaturisatie, of het vermogen om een steeds groter aantal transistoren in een dicht geïntegreerd circuit (microchip) te stapelen. Sommigen kunnen beweren dat we limieten beginnen te bereiken in die miniaturisatie, omdat dunne films een dikte van ongeveer 10 nanometer naderen, of zelfs lager.
Deze bijna tweedimensionale (2D) materialen kunnen worden gebruikt om de volgende generatie elektronica te bouwen. Omdat elektronische materialen zoals silicium echter worden geminiaturiseerd, worden ze minder energiezuinig.
Als je de siliciumfilm minder dan ongeveer 20 tot 30 nanometer over maakt, zullen elektronen de randen van de film tegenkomen, wat leidt tot verhoogde weerstand en meer energiedissipatie. Dit fenomeen is al tientallen jaren bekend en wordt beschreven door een theorie die lang geleden is ontwikkeld door Klaus Fuchs (ook beroemd als de “Atomic Spy” die geclassificeerde informatie over het Manhattan -project aan de Sovjet -Unie heeft geleverd) en E. Helmut Sondheimer.
In een papier gepubliceerd in Fysiek beoordelingsmateriaalIk laat zien dat dingen nog erger worden dan voorspeld door de Fuchs-Sondheimertheorie naarmate de dikte afneemt onder de 10 nanometer, omdat een nieuw effect ingaat. Dit nieuwe effect is te wijten aan de kwantumbeperking van elektronen.
Door kwantumbeperking verwijs ik naar het fenomeen waarbij de energie van een kwantumdeeltje – zoals een elektron – aanzienlijk wordt aangegaan wanneer de beweging ervan beperkt is in de ruimte. Dit effect komt voort uit het Heisenberg -onzekerheidsprincipe: hoe precies de positie van een deeltje beperkt is, hoe groter de onzekerheid in zijn momentum, wat leidt tot grotere energievoltructuaties.
Onlangs ben ik begonnen met het systematisch bestuderen van de implicaties van kwantumbeperking op de energie van kwantumdeeltjes (elektronen, fononen) voor de eigenschappen van real-life materialen door middel van een generiek wiskundig model.
De laatste houdt rekening met dat elektronen tegelijkertijd deeltjes en golven zijn, volgens de kwantummechanica, wat betekent dat, onder de geminiaturiseerde opsluiting van een dun vel, alleen golflengten compatibel met de beperkte ruimte van het materiaal zijn toegestaan.
Deze generieke theorie heeft mij en mijn medewerkers gemotiveerd om parametervrije voorspellingen te geven van elektronische eigenschappen van materialen in overeenstemming met experimentele gegevens over ultradunne en bijna 2D-materialen, iets dat voorheen niet mogelijk was.
In silicium ultradunne platen, terwijl de elektronen in een dunnere ruimte worden geperst, neemt hun energie toe als gevolg van kwantumbeperking. Op zijn beurt, naarmate de elektronen energieker worden, wordt de bandafstand, die de valentie -elektronen (strak verbonden aan de atomen) scheidt van de vrij bewegende elektronen, ook groter. De toename van de bandafstand leidt dus tot een afname van de concentratie van beschikbare vrije elektronen voor het uitvoeren van elektriciteit, wat vervolgens leidt tot een toename van de weerstand.
Een nieuwe wiskundige theorie die ik in dit artikel presenteer, laat zien dat deze toename van de weerstand bij het verminderen van de filmdikte vrij dramatisch is (het is een exponentiële toename met het verminderen van de filmdikte) en kan recente experimentele gegevens verklaren, wat duidelijk de voorspelde exponentiële toename toont naarmate de dikte afneemt onder 10 nm.
In goed nieuws legt mijn theorie ook uit dat deze dramatische toename van de weerstand kan worden beperkt door de vrije elektronenconcentratie in de silicium nanobilms, bijv. Zorgvuldig af te stemmen via doping. Deze bevinding kan belangrijke implicaties hebben voor elektronica van de volgende generatie door nieuwe manieren te bieden om nano-chips dicht bij het atoomniveau te fabriceren.
Dit verhaal maakt deel uit van Science x dialoogvensterwaar onderzoekers bevindingen kunnen rapporteren uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen. Bezoek deze pagina Voor informatie over het dialoogvenster Wetenschap X en hoe u kunt deelnemen.
Meer informatie:
Alessio Zaccone, dikte-afhankelijke geleidbaarheid van dunne nanometrische halfgeleiderfilms, Fysiek beoordelingsmateriaal (2025). Doi: 10.1103/physrevmaterials.9.046001
Bio:
Alessio Zaccone ontving zijn Ph.D. Van het Department of Chemistry of Eth Zürich in 2010. Van 2010 tot 2014 was hij een Research Fellow van Oppenheimer aan het Cavendish Laboratory, Universiteit van Cambridge.
Nadat hij aan de faculteit van de technische Universiteit München (2014-2015) en van de Universiteit van Cambridge (2015–2018) was geweest, is hij volleraar en voorzitter van de theoretische fysica in de afdeling natuurkunde aan de Universiteit van Milano. Awards zijn de ETH Silver Medal, het 2020 Gauss -hoogleraarschap van de Göttingen Academy of Sciences, de Fellowship of Queens ‘College Cambridge en een ERC Consolidator Grant “Multimech”.
Onderzoeksinteresses variëren van de statistische fysica van ongeordende systemen (willekeurige verpakkingen, materiaalmechanica, korrelige verpakkingen, glazen en de glasovergang, colloïden, niet-evenwichtsthermodynamica) tot fysica van vaste toestand en supergeleiding.
