1758647702
3035-09-23 15:32:00
現代の電子機器の構成要素であるトランジスタは、通常、シリコンで作られています。半導体であるため、この材料は回路内の電気の流れを制御できます。しかし、シリコンには、トランジスタがどれほどコンパクトでエネルギー効率の高いものであるかを制限する基本的な物理的限界があります。
MITの研究者は、シリコンを磁気半導体に置き換え、より小さく、より速く、より速い回路を可能にする磁気トランジスタを作成しました。材料の磁気は、その電子挙動に強く影響し、電気の流れをより効率的に制御します。
チームは、新しい磁気材料と、材料の欠陥を減らす最適化プロセスを使用し、トランジスタのパフォーマンスを高めました。
材料のユニークな磁気特性により、メモリが組み込まれたトランジスタも可能になり、回路設計が簡素化され、高性能エレクトロニクスの新しいアプリケーションのロックが解除されます。
「人々は何千年もの間磁石について知っていますが、磁気を電子機器に組み込む方法は非常に限られています。将来のアプリケーションと研究のために多くの可能性を開く磁気を効率的に利用する新しい方法を示しました」
Chouは、材料科学工学部（DMSE）の大学院生であるユージンパーク（DMSE）の共同リード作家ユージーンパークがこの論文に加わりました。 DMSE研究科学者のジュリアン・クライン。 Josep Ingla-Aynes、MITプラズマサイエンスおよび融合センターのポスドク。物理学部の上級研究科学者であるジャガディーシュ・S・ムージアラ。 DMSEのTDK教授であるフランシス・ロスの上級作家。 EECSの准教授であるLuqiao Liu、およびElectronics研究所のメンバー。プラハの化学技術大学の他の人も同様です。紙 今日表示されます で 物理的なレビューレター。
制限を克服します
電子デバイスでは、シリコン半導体トランジスタは、回路をオン /オフにするか、通信システムで弱い信号を増幅する小さな光スイッチのように機能します。彼らは小さな入力電圧を使用してこれを行います。
しかし、シリコン半導体の基本的な物理的限界により、トランジスタが特定の電圧を下回るのを防ぎ、エネルギー効率を妨げます。
より効率的な電子機器を作るために、研究者は電子スピンを利用して電気の流れを制御する磁気トランジスタに数十年を費やしてきました。電子スピンは、電子が小さな磁石のように振る舞うことを可能にする基本的な特性です。
これまでのところ、科学者は主に特定の磁気材料の使用に限定されてきました。これらは、半導体の好ましい電子特性を欠いており、デバイスの性能を制約します。
「この作業では、磁気と半導体の物理学を組み合わせて、有用なスピトロニックデバイスを実現します」とLiu氏は言います。
研究者は、トランジスタの表面層のシリコンを、磁気半導体として機能する2次元材料である臭化クロムに置き換えます。
材料の構造により、研究者は2つの磁気状態を非常にきれいに切り替えることができます。これにより、「オン」と「オフ」をスムーズに切り替えるトランジスタでの使用に最適です。
「私たちが直面した最大の課題の1つは、適切な素材を見つけることでした。私たちは、うまくいかなかった他の多くの資料を試しました」とChou氏は言います。
彼らは、これらの磁気状態を変更すると、材料の電子特性が修正され、低エネルギー操作が可能になることを発見しました。また、他の多くの2D材料とは異なり、臭化クロムは空気中で安定したままです。
トランジスタを作成するために、研究者は電極をシリコン基板にパターン化し、2D材料を慎重に整列させて転送します。彼らはテープを使用して、厚さ数十ナノメートルしかない小さな素材を拾い上げ、基板に置きます。
「多くの研究者は溶媒または接着剤を使用して転送を行いますが、トランジスタには非常にきれいな表面が必要です。このステップを簡素化することで、これらすべてのリスクを排除します」とChou氏は言います。
磁気を活用します
この汚染の欠如により、デバイスは既存の磁気トランジスタを上回ることができます。他のほとんどの人は、磁気効果が弱いだけで、電流の流れを数パーセント以下に変えることができます。新しいトランジスタは、電流を10倍切り替えるか、増幅することができます。
外部磁場を使用して材料の磁気状態を変更し、通常必要なエネルギーよりも大幅に少ないエネルギーを使用してトランジスタを切り替えます。
材料により、電流で磁気状態を制御することもできます。これは、エンジニアが電子デバイス内の個々のトランジスタに磁場を適用できないため、重要です。彼らはそれぞれを電気的に制御する必要があります。
材料の磁気特性は、メモリが組み込まれたトランジスタを可能にし、論理またはメモリ回路の設計を簡素化することもできます。
典型的なメモリデバイスには、情報を保存するための磁気セルとそれを読み取るトランジスタがあります。それらの方法は、両方を1つの磁気トランジスタに結合できます。
「今では、トランジスタがオンとオフになっているだけでなく、情報を覚えているだけでなく、トランジスタを大きく切り替えることができるため、信号ははるかに強くなり、情報をより速く、より信頼性の高い方法で読むことができます」とLiu氏は言います。
このデモンストレーションに基づいて、研究者はデバイスを制御するために電流の使用をさらに研究することを計画しています。また、トランジスタの配列を製造できるように、メソッドをスケーラブルにするために取り組んでいます。
この研究は、一部には、半導体研究協会、米国防衛先進研究プロジェクト局（DARPA）、米国国立科学財団（NSF）、米国陸軍研究所、チェコの教育省、青少年、スポーツによって支援されました。この作業は、mit.nano施設で部分的に行われました。
#MITエンジニアはよりエネルギー効率の高いエレクトロニクスのために磁気トランジスタを開発します #MITニュース