Kohlenstoff-Nanoröhren bilden die Grundlage für eine neue Art von Logik

CIENCIA ????LA NANOTECNOLOGIA 3,Ciudades nanotecnologicas,DOCUMENTALES NATIONAL GEOGRAPHIC,DOCUMENTAL (Dezember 2018).

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Basierend auf der Manipulation des Spinzustands von Graphen-Nanoband-Elektronen können diese Bauelemente direkt kaskadiert werden, um ultraschnelle digitale Arrays zu bilden

Von Gary Elinoff, beitragender Autor

Eine der grundlegenden Eigenschaften eines Elektrons ist sein Spin, der nach oben oder nach unten gerichtet sein kann und jedem rotblütigen Elektroingenieur "1" oder "0" vorschlägt. Dieses Phänomen ist das Herzstück eines sich neu entfaltenden Forschungsgebietes für einen möglichen zukünftigen Weg für Halbleiter, der entsprechend Spintronik genannt wird. Es verspricht Taktgeschwindigkeiten im Terahertz-Bereich mit dem Potential für extrem kleine Abmessungen und stark reduzierte Leistungsanforderungen.

Ein Team von Wissenschaftlern der Universität von Texas hat ein Design entwickelt, das auf Kohlenstoff-Nanoröhren basiert. Sie haben auch ein wichtiges Must-have gezeigt, wenn das Konzept praktikabel ist - die Fähigkeit zu kaskadieren -, damit die Ausgabe eines Geräts direkt und ohne jegliche Vermittlung als Input für ein anderes dient.

Graphen-Nanoband-Transistoren

Die grundlegende Konfiguration eines Graphen-Nanoband-Transistors (GNR) ist unten dargestellt. Die drei "Drähte" sind aus Graphen-Nanoröhren aufgebaut. Der zentrale Draht, das GNR selbst, ist teilweise "entpackt", also ist es im Wesentlichen eine zweidimensionale Nanoband. Winzige elektrische Ströme, I CTRL gehen durch die zwei Kontrollen (CNT), parallel und auf jeder Seite des GNR. Strom, der durch irgendeinen Draht fließt, erzeugt magnetische Felder, und die hier erzeugten Felder werden als B bezeichnet . Die Magnetisierung des GNR ist natürlich stärker, am nächsten zu den jeweiligen CNTs, und die Magnetisierung nimmt näher zur Mitte des Bandes ab.

Graphen-Nanobandtransistor. Quelle: Natur.

In dieser spezialisierten Graphenstruktur kann die Magnetisierung die ferromagnetische Ordnung des GNR verändern, die mit den tatsächlichen Spins der Elektronen zusammenhängt. Die zwei möglichen Zustände, antiferromagnetische Ordnung (AFM) und ferromagnetische Ordnung (FM), bestimmen die Leitfähigkeit durch den GNR. In einem AFM-Zustand ist die Leitfähigkeit niedrig, während in FM die Leitfähigkeit hoch ist. Eine konstante Spannung wird immer durch das GNR aufrechterhalten, so dass sich eine Änderung der Leitfähigkeit direkt in eine Änderung des Stroms umsetzt. Die Änderung von niedrigem Leitwert und niedrigem Strom zu hohem Leitwert und hohem Strom ist ziemlich scharf, wie es bei einer herkömmlichen Siliziumvorrichtung der Fall ist, und kann Eins und Null bedeuten.

Quantencomputer und Computer, die auf Nanostrukturen basieren, sind aktive Forschungsgebiete, aber in diesem Stadium des Spiels sind die meisten Stand-Alone-Geräte. Das wirklich aufregende an GNRs ist, dass ihr Ausgangsstrom direkt mit dem nächsten GNR-Transistor verbunden werden kann. Ein GNR kann das I- CTRL einem der nachfolgenden GNR-Kontroll-Nanoröhrchen zuführen, während ein anderes GNR das I- CTRL dem anderen Kontroll-Nanoröhrchen dieses nachfolgenden GNR zuführen kann. Somit liefern zwei GNRs die "Eingänge" direkt an einen dritten GNR.

Logische Funktion mit GNR-Transistoren

Wenn der Strom, der durch beide Kontroll-Nanoröhren fließt, von der gleichen Größe ist und in der gleichen Richtung fließt, ist die Magnetisierung an beiden Kanten des GNR gleich. Dies verursacht einen AFM-Zustand, und die Leitfähigkeit des GNR wird niedrig sein, was eine Ausgabe von Null verursacht. Wenn eine der Kontroll-Nanoröhren einen hohen Strom und die andere einen niedrigen Strom führt, werden die Magnetisierungen an den Kanten des GNR unterschiedlich sein. Ein FM-Zustand tritt auf und verursacht eine Ausgabe von eins.

Auf diese Weise kann die Kombinationslogik beeinflusst werden.

Zusätzlich sind komplexere Geometrien möglich, die die logische Funktion von mehr als einem Transistor in einem Gerät kombinieren. Und Strom ist die Zustandsvariable in GNR-Transistoren, anstatt Spannung, wie es bei Siliziumbauelementen der Fall ist. Dies führt zu einer erstaunlich schnellen Schaltzeit, wobei Taktfrequenzen im 2-Terahertz-Bereich erreichbar sind. Und schließlich ist der Stromverbrauch in GNRs im Gegensatz zu Siliziumbauelementen weitgehend unabhängig von der Frequenz.

Auf Spintronik basierende Komponenten sind von der Kommerzialisierung noch weit entfernt. Die Forscher haben jedoch gezeigt, was eindeutig die Grundlage für eine Technologie sein wird, die in nicht allzu ferner Zukunft eine große Rolle spielen wird.