איור של שער חיזור עבור מניפולציה של נושאות ובקרת שדה חשמלי של המצב האלקטרוני. החוטים הירוקים מייצגים מולקולות פונקציונליות לשער חיזור, והיכולת לתפקד בהספק נמוך מחקה מיתוג סינפטי במוח האנושי, כפי שמיוצג על ידי הסינפסה הבסיסית. קרדיט: Argonne National Laboratory
חוקרי ארגון חלוצים ב"שער חיזור" – דרך חדשה לווסת במדויק את זרימת האלקטרונים.
פריצת דרך יכולה לעזור להוביל לפיתוח של הספק נמוך חדש מוליכים למחצה או מכשירים קוונטיים.
ככל שהמעגלים המשולבים שמניעים את המכשירים האלקטרוניים שלנו נעשים חזקים יותר, הם גם הולכים וקטנים. מגמה זו של מיקרואלקטרוניקה רק התגברה בשנים האחרונות כאשר מדענים מנסים להתאים יותר ויותר רכיבים מוליכים למחצה על שבב.
התגברות על אתגר החום
מיקרואלקטרוניקה עומדת בפני אתגר מרכזי בגלל גודלה הקטן. כדי למנוע התחממות יתר, מיקרו-אלקטרוניקה צריכה לצרוך רק חלק קטן מהחשמל של אלקטרוניקה קונבנציונלית ועדיין פועלת בביצועים שיא.
פריצת דרך במדעי החומר
חוקרים במעבדה הלאומית Argonne של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) השיגו פריצת דרך שיכולה לאפשר סוג חדש של חומר מיקרואלקטרוני לעשות בדיוק את זה. במחקר חדש שפורסם ב חומרים מתקדמיםצוות Argonne הציע סוג חדש של טכניקת "שער חיזור" שיכולה לשלוט בתנועת אלקטרונים פנימה והחוצה של חומר מוליך למחצה.
"משטר התת-וולט, שבו פועל החומר הזה, הוא עניין עצום לחוקרים המחפשים ליצור מעגלים הפועלים בדומה למוח האנושי, שגם הוא פועל ביעילות אנרגטית רבה".
— מדען החומרים של ארגון ווי צ'ן
הבנת "Gating Redox"
"חיזור" מתייחס לתגובה כימית הגורמת להעברת אלקטרונים. מכשירים מיקרואלקטרוניים מסתמכים בדרך כלל על "אפקט שדה" חשמלי כדי לשלוט בזרימת האלקטרונים לפעול. בניסוי תכננו המדענים מכשיר שיכול לווסת את זרימת האלקטרונים מקצה אחד למשנהו על ידי הפעלת מתח – בעצם, סוג של לחץ שדוחף חשמל – על פני חומר שפעל כמעין שער אלקטרונים. כאשר המתח הגיע לסף מסוים, בערך חצי וולט, החומר יתחיל להזריק אלקטרונים דרך השער מחומר חיזור מקור לתוך חומר תעלה.
על ידי שימוש במתח כדי לשנות את זרימת האלקטרונים, המכשיר המוליך למחצה יכול לפעול כמו טרנזיסטור, לעבור בין מצבים מוליכים יותר לבידוד יותר.
יתרונות הטכניקה החדשה
"אסטרטגיית שער החיזור החדשה מאפשרת לנו לווסת את זרימת האלקטרונים בכמות עצומה אפילו במתחים נמוכים, ומציעה יעילות כוח גדולה הרבה יותר", אמר מדען החומרים של ארגון, דילון פונג, מחבר המחקר. "זה גם מונע נזק למערכת. אנו רואים שניתן לסובב את החומרים הללו שוב ושוב ללא ירידה בביצועים כמעט".
"לשליטה בתכונות האלקטרוניות של חומר יש גם יתרונות משמעותיים עבור מדענים המחפשים תכונות מתפתחות מעבר למכשירים קונבנציונליים", אמר מדען החומרים של Argonne Wei Chen, אחד המחברים השותפים למחקר.
"משטר התת-וולט, שבו פועל החומר הזה, מעורר עניין עצום לחוקרים המחפשים ליצור מעגלים הפועלים בדומה למוח האנושי, שגם הוא פועל ביעילות אנרגטית רבה", אמר.
השלכות על טכנולוגיות עתידיות
תופעת שער החיזור יכולה להיות שימושית גם ליצירת חומרים קוונטיים חדשים שניתן לתמרן את השלבים שלהם בהספק נמוך, אמר הפיזיקאי של ארגון הואה ז'ואו, מחבר נוסף שותף למחקר. יתרה מכך, טכניקת שער החיזור עשויה להשתרע על פני מוליכים למחצה פונקציונליים מגוונים וחומרים קוונטיים בעלי מימד נמוך המורכבים מאלמנטים ברי קיימא.
עבודה שנעשתה ב-Advanced Photon Source של Argonne, מתקן משתמש של DOE Office of Science, עזרה לאפיין את התנהגות השער החיזור.
בנוסף, המרכז של Argonne לחומרים ננומטריים, גם מתקן משתמש של משרד ה-DOE Office of Science, שימש לסינתזת חומרים, ייצור מכשירים ומדידות חשמליות של המכשיר.
מאמר המבוסס על המחקר, "שער Redox for Modulation Carrier Colossal and Unique Phase Control", הופיע בגיליון 6 בינואר 2024 של חומרים מתקדמים. בנוסף לפונג, צ'ן וג'ואו, המחברים התורמים כוללים את לה ג'אנג, צ'אנג-ג'יאנג ליו, הואי קאו, אנדרו ארווין, דילון פונג, אנאנד בהטצ'אריה, לופינג יו, ליליאנה סטן, צ'ונגוון זו ומת'יו ו. טירל.
העבודה מומנה על ידי משרד המדע של DOE, המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים ותוכנית המחקר והפיתוח של Argonne מכוונת המעבדה.
