«بازاندیشی در مورد قابلیت‌های سیلیکون» / کشف روش جدید برای کنترل الکتریسیته در کوچکترین مقیاس

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید، روشی برای کنترل چگونگی حرکت الکتریسیته از طریق سیلیکون بلوری، ماده‌ای کلیدی در فناوری‌های الکترونیکی امروزی، کشف کرده‌اند.

کد خبر: ۱۲۸۶۵۳۷

سه‌شنبه - ۳۱ تير ۱۴۰۴ / July 22, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، الکترون‌ها می‌توانند به صورت موج از سیلیکون عبور کنند و راه را برای ساخت دستگاه‌های کوچک‌تر و پیشرفته‌تر هموار کنند.

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید، روشی برای کنترل چگونگی حرکت الکتریسیته از طریق سیلیکون بلوری، ماده‌ای کلیدی در فناوری‌های الکترونیکی امروزی، کشف کرده‌اند. با بهره‌گیری از رفتار کوانتومی الکترون‌ها، این پیشرفت می‌تواند امکان توسعه دستگاه‌های کوچک‌تر، سریع‌تر و با بهره‌وری انرژی بیشتر را فراهم کند.

در مقیاس‌های بسیار کوچک، الکترون‌ها بیشتر شبیه موج عمل می‌کنند تا ذرات جامد. محققان نشان دادند که با تنظیم دقیق آرایش متقارن اتم‌ها در مولکول‌های سیلیکون، می‌توانند فرآیندی به نام تداخل مخرب را القا یا از آن جلوگیری کنند. این پدیده می‌تواند به طور مؤثر رسانایی الکتریکی را "روشن" یا "خاموش" کند، که مانند یک سوئیچ الکترونیکی در مقیاس نانو عمل می‌کند.

تداخل موج به عنوان یک سوئیچ کوانتومی

تیم سو، استاد شیمی UCR که رهبری این مطالعه را بر عهده داشت، گفت: «ما دریافتیم که وقتی ساختار‌های سیلیکونی ریز با تقارن بالا شکل می‌گیرند، می‌توانند جریان الکترون را مانند هدفون‌های حذف نویز خنثی کنند. نکته هیجان‌انگیز این است که می‌توانیم آن را کنترل کنیم.

این مطالعه که در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است، بینش جدیدی در مورد چگونگی رفتار جریان‌های الکتریکی در سیلیکون در سطح اتمی ارائه می‌دهد.

این کشف در زمانی رخ می‌دهد که صنعت فناوری با چالش‌هایی در کوچک‌سازی بیشتر تراشه‌های سیلیکونی مرسوم رو‌به‌رو است. رویکرد‌های موجود معمولاً شامل حکاکی مدار‌های میکروسکوپی روی ویفر‌های سیلیکونی یا آلایش آنها با مقادیر ناچیزی از عناصر دیگر برای تغییر رسانایی است. در حالی که این روش‌ها سال‌هاست که مؤثر بوده‌اند، اما به مرز‌های فیزیکی خود نزدیک می‌شوند: محدودیتی در نحوه ساخت مدار‌های کوچک وجود دارد و اتم‌های اضافه شده نمی‌توانند پیچیدگی‌های ناشی از پدیده‌های کوانتومی را حل کنند.

ساختن از مولکول به بالا

در مقابل، سو و تیمش یک رویکرد شیمیایی را در پیش گرفتند و به جای شکل دادن مولکول‌های سیلیکون از ساختار‌های بزرگتر، آنها را اتم به اتم مونتاژ کردند. این روش «از پایین به بالا» امکان کنترل دقیق بر چیدمان اتمی و مهمتر از آن، بر نحوه حرکت الکترون‌ها در سیلیکون را فراهم می‌کرد.

سیلیکون، دومین عنصر رایج در پوسته زمین، عنصری محوری در الکترونیک مدرن است. با این حال، با پیشرفت فناوری و کوچک‌تر شدن دستگاه‌ها، اثرات کوانتومی - مانند عبور الکترون‌ها از لایه‌های عایق - چالش‌های جدیدی را برای طرح‌های مرسوم ایجاد می‌کنند. یافته‌ها نشان می‌دهد که مهندسان به جای تلاش برای حذف این اثرات، می‌توانند از آنها به نفع خود استفاده کنند.

سو گفت: «کار ما نشان می‌دهد که چگونه تقارن مولکولی در سیلیکون منجر به اثرات تداخلی می‌شود که نحوه حرکت الکترون‌ها را در آن کنترل می‌کنند؛ و ما می‌توانیم با کنترل نحوه هم‌ترازی الکترود‌ها با مولکول خود، این تداخل را فعال یا غیرفعال کنیم.»

پتانسیل آینده برای محاسبات و انرژی

اگرچه ایده استفاده از تداخل کوانتومی در الکترونیک چیز جدیدی نیست، اما این یکی از اولین نمایش‌های این اثر در سیلیکون سه‌بعدی الماس‌مانند است - همان ساختاری که در تراشه‌های تجاری استفاده می‌شود.

فراتر از سوئیچ‌های فوق‌العاده کوچک، این یافته‌ها می‌توانند به توسعه دستگاه‌های ترموالکتریک که گرمای تلف‌شده را به برق تبدیل می‌کنند یا حتی اجزای محاسبات کوانتومی ساخته‌شده از مواد آشنا کمک کنند.

سو گفت: این به ما یک روش اساساً جدید برای فکر کردن در مورد سوئیچینگ و انتقال بار می‌دهد. این فقط یک تغییر کوچک نیست. این یک بازنگری در مورد کار‌هایی است که سیلیکون می‌تواند انجام دهد.