p Quase 1, 000 vezes mais fino que um cabelo humano, nanofios só podem ser entendidos com a mecânica quântica. Usando modelos quânticos, físicos da Universidade Tecnológica de Michigan descobriram o que impulsiona a eficiência de um transistor de nanofio de núcleo-casca de silício-germânio (Si-Ge). p Nanofios Core-Shell

p O estudo, publicado na semana passada em Nano Letras , centra-se no tunelamento quântico em uma estrutura de nanofios core-shell. Ranjit Pati, um professor de física na Michigan Tech, liderou o trabalho junto com seus alunos de pós-graduação Kamal Dhungana e Meghnath Jaishi.

p Os nanofios core-shell são como uma versão muito menor do cabo elétrico, onde a região do núcleo do cabo é feita de um material diferente da região da casca. Nesse caso, o núcleo é feito de silício e a casca é feita de germânio. Tanto o silício quanto o germânio são materiais semicondutores. Sendo tão magro, esses nanofios semicondutores de núcleo-casca são considerados materiais unidimensionais que exibem propriedades físicas únicas.

p Os arranjos de átomos nesses nanofios determinam como os elétrons os atravessam, Pati explica, acrescentando que uma compreensão mais abrangente da física que impulsiona esses transistores em nanoescala pode levar a uma maior eficiência em dispositivos eletrônicos.

p "O desempenho de um transistor de nanofio de silício-germânio heterogêneo é muito melhor do que um nanofio de silício homogêneo, "Pati diz." Em nosso estudo, desvendamos os fenômenos quânticos responsáveis ​​por seu desempenho superior. "

p Transistores de efeito de campo

p Os transistores impulsionam nosso mundo digital. E costumavam ser grandes - ou pelo menos grandes o suficiente para as pessoas verem. Com avanços na nanotecnologia e ciência dos materiais, os pesquisadores conseguiram minimizar o tamanho e maximizar o número de transistores que podem ser montados em um microchip.

p O transistor em que Pati está trabalhando é um transistor de efeito de campo (FET) feito de nanofios de núcleo-casca. Ele manipula a corrente elétrica no canal do nanofio usando uma polarização de porta. Simplificando, uma polarização de portão afeta a corrente elétrica no canal como uma válvula controla o fluxo de água em um tubo. A polarização da porta produz um efeito de campo eletrostático que induz um comportamento de comutação na corrente do canal. Controlar este campo pode ligar ou desligar o dispositivo, muito parecido com um interruptor de luz.

p Vários grupos fabricaram com sucesso FETs de nanofios core-shell e demonstraram sua eficácia sobre os transistores usados ​​atualmente em microprocessadores. O que Pati e sua equipe observaram é a física quântica que impulsiona seu desempenho superior.

p Tunelamento Quântico

p A corrente elétrica entre a fonte e o dreno em um FET de nanofio não pode ser entendida usando a física clássica. Isso porque os elétrons fazem coisas estranhas em uma escala tão pequena.

p "Imagine um peixe preso dentro de um aquário; se o peixe tiver energia suficiente, pode pular por cima da parede, "Pati diz." Agora imagine um elétron no tanque:se ele tiver energia suficiente, o elétron pode saltar, mas mesmo que não tenha energia suficiente, o elétron pode criar um túnel através das paredes laterais, portanto, há uma probabilidade finita de encontrarmos um elétron fora do tanque. "

p Isso é conhecido como tunelamento quântico. Para Pati, capturar o elétron em ação dentro dos transistores de nanofios é a chave para compreender seu desempenho superior. Ele e sua equipe usaram o que é chamado de abordagem de transporte quântico de primeiros princípios para saber o que faz com que os elétrons entrem em um túnel de forma eficiente nos nanofios da camada central.

p O tunelamento quântico de elétrons - um jogo de amarelinha em escala atômica - é o que permite que os elétrons se movam através dos materiais nanofios que conectam a fonte e o dreno. E o movimento fica mais específico do que isso:os elétrons quase que exclusivamente saltam através da camada de germânio, mas não através do núcleo de silício. Eles fazem isso por meio dos orbitais pz alinhados do germânio.

p Simplificando, esses orbitais, que são regiões em forma de haltere de alta probabilidade de encontrar um elétron, são plataformas de aterrissagem perfeitas para o tunelamento de elétrons. O alinhamento específico - codificado por cores no diagrama acima - torna o tunelamento quântico ainda mais fácil. É como a diferença entre tentar cavar um poço com paredes de aço e paredes de areia. O alinhamento compactado dos orbitais pz na camada de germânio permite que os elétrons se tunelem de um átomo para outro, criando uma corrente elétrica muito mais alta quando ligado. No caso de nanofios de silício homogêneos, não há alinhamento compactado dos orbitais pz, o que explica por que eles são FETs menos eficazes.

p Nanofios em Eletrônica

p Existem muitos usos potenciais para FETs de nanofios. Pati e sua equipe escrevem em seu artigo sobre Nano Letters que "esperam que o entendimento do nível orbital eletrônico obtido neste estudo seja útil para projetar uma nova geração de FETs de nanofios core-shell".

p Especificamente, ter uma estrutura heterogênea oferece controle de mobilidade adicional e desempenho superior em relação à geração atual de transistores, além da compatibilidade com a tecnologia de silício existente. Os FETs de nanofios core-shell podem transformar nosso futuro, tornando os computadores mais poderosos, telefones e wearables mais inteligentes, carros mais interligados e redes elétricas mais eficientes. O próximo passo é simplesmente dar um pequeno salto quântico.