ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی

ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی

خلاصه

در این مقاله به تفصیل مبحث ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی(QuIET) مطرح خواهد شد. این وسیله پیشنهادی از تداخل بین مسیرهای الکترونی در میان مولکولهای آروماتیک بهره می‌گیرد تا شار جریان را مدوله کند. درحالت خاموش یا غیرفعال (off)، تداخل کاملاً ویرانگر نشات گرفته از تقارن مولکولی، سبب بلوکه شدن جریان می‌شود، اما درحالت روشن یا فعال  (on) به جریان اجازه داده می‌شود تا با ارائه موضعی پراکندگی الاستیک یا غیر همدوس تداوم شار داشته باشد. در این مقاله، جزئیات محاسبه یک مدل، که اثباتی بر کارایی (QuIET) می‌باشد، مطرح گردیده و طرحهای متنوعی برای ساخت، شامل امکان بکارگیری پلیمرهای رسانا جهت برقراری اتصال (QuIET) با رساناهای متعدد، نیز پیشنهاد می‌شود.

ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی

۱- مقدمه

علیرغم قیمت اندک ترانزیستورهای نیمه رسانای پیشرفته و تطبیق‌پذیری بسیار بالا، آنها با موانع اساسی در مبحث مینیاتوری سازی یا کوچک نمودن مداوم مواجه می‌باشند. در وهله اول، رویه تولید بالا به پایین قابلیت تغییرپذیری بسیار ریز یا میکروسکوپی را از ابزاره‌‌ای به ابزاره‌ دیگر فراهم می‌سازد. این رویه با وجود آنکه در مقایس‌های طولی امروزی قابل پذیرش می‌باشد، اما در مبحث نانومتری قابلیت مقیاس پذیری را نخواهد داشت.  ثانیاً این وسایل، مثل همه تجهیزاتی که از اثر میدانی بهره می‌گیرند، با افت و خیز سد انرژی به منظور شار انتقال بار حداقل K_BT به فعالیت خود ادامه می‌دهند، بنابراین با هر چرخه راه گزینی یا سوئیچینگ، مقداری انرژی توسط هر ابزاره‌ تلف می‌شود. با توجه به تراکم بالای تجهیزات، بیش از میزان نوین کنونی آن، هزینه و چالشهای مهندسی مربوط به برطرف سازی گرمای حاصل خود می‌تواند دلهره‌آور ‌باشد [۲]. در حالیکه اولین چالش را می‌توان در بهره گیری از تولید شیمیایی ابزاره‌های تک مولکولی با پروسه پایین به بالا  در نظر گرفت، (بطور مثال.]۳[)، این روش فی نفسه چیزی را برای مطرح نمودن در زمینه نیاز به بهره‌گیری از مکانیسم جایگزین خنک کننده ارائه نمی‌دهد.

یک نمونه جایگزین برای بالا بردن و پایین آوردن سد انرژی، استفاده از ماهیت موجی الکترون برای کنترل عبور جریان است]۹-۴[. بطور متعارف، این تجهیزات مبتنی بر تداخل از طریق  اثر Aharanov-Bohm مدوله می‌شوند]۱۰[. اما این موضوع با ابعاد کوچک تجهیزات مولکولی ناسازگار است]۴[: در یک ابزاره ۱nm²، میدان مغناطیسی متجاوز از T600 برای تولید جابجایی فاز در مرتبه rad1 مورد نیاز است. همچنین، ابزاره‌ای که مبتنی بر جابجایی فاز الکترو استاتیکی است به ولتاژهای ناسازگار با پایداری ساختاری نیاز خواهد داشت. قبلا ً]۱۱[، راه حلی موسوم به ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی (QuIET)‌ (به شکل۱ مراجعه کنید) را پیشنهاد نموده‌ایم، که اقدام به بررسی تداخل کاملاً ویرانگر ناشی از تقارن مولکولی و کنترل  انتقال کوانتومی از طریق ارائه پراکندگی الاستیک یا ناهمدوس نموده است.

هدف این مقاله تشریح جزئیات این طرح پیشنهادی است، که شامل ساختارهای شیمیایی بالقوه متعدد جهت تسهیل تولید و تست این ابزاره می‌باشد. در بخش۲، به توصیف چارچوب نظری مورد استفاده برای مدل سازی وسیله می‌پردازیم. بخش۳ سازوکار عملکرد (QuIET) را بیان می کنیم. در بخش۴، پیاده سازی عملی چنین ابزاره‌ای را مورد بحث قرار می‌دهیم. در نهایت، در بخش ۵ به نتیجه‌گیری می‌پردازیم.

شکل۱٫ تخیلی هنرمندانه از ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی ‌مبنی بر بنزن دی تی اُل ۳ و۱ می‌باشد. کره های رنگین معرف اتمهای منفرد کربن (سبز)، هیدروژن( صورتی)، گوگرد(زرد) و طلا (طلایی) هستند. به هنگامی که ابزاره‌ در وضعیت off است، تداخل ویرانگر، شارش جریان ما بین الکترودهای چشمه/ سورس (پایین) و چاه/ درین (راست) را مسدود می‌کند. ناهمدوسی شامل شده توسط نوک تیز میکروسکوپ گذار پیمایشی(STM) (بالا سمت چپ) تداخل را خنثی می‌سازد و اجاز عبور جریان را می‌دهد.

ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی

 ۲- الگوی نظری

QuIET  از یک جزء مولکولی مرکزی، دو هادی که به صورت شیمیایی با مولکول پیوند دارند،    و هادی سوم که قادر است به صورت خازنی یا از طریق تونل زنی با مولکول جفت شود، تشکیل شده است. تابع هامیلتونی این  سیستم را می‌توان به صورت حاصل جمع سه عبارت ذیل نوشت:

ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی

۳- ساز وکار راه گزینی (سوئیچینگ)

QuIET، تداخل کوانتومی را مورد بهره برداری قرار می‌دهد  که از تقارن انولنز (annulenes) تک حلقه ای آروماتیک نظیر بنزن نشأت می‌گیرد. گذر کوانتومی، ‌از طریق مولکولهای بنزن منفرد با دو پیوند فلزی که در مکانهای  پارا به هم متصل می‌باشند، موضوع تحقیق نظری و تجربی در سطح گسترده بوده است [۱۳]. اما  QuIET مبتنی بر بنزن نیاز دارد که سورس/ چشمه (۱) و درین/ چاه (۲) در مکانهای مکانهای متا به هم متصل شوند، همانطور که در شکل (۱) نشان داده شده است. احتمال گذار _۱۲T این ابزاره، به ازای  در شکل ۲ نشان داده شده است. بواسطه تقارن مولکولی [۸]، گرهی در (E)₁₂T  وجود دارد که در میانه راه بین ترازهای انرژی بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده (HOMO) و پایین‌ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (شکل(b)2، پایین‌ترین منحنی را مشاهده می‌نمائید) قرار گرفته است. این گره شکاف میانی در تراز فرمی‌ مولکول نقش حیاتی در عملکرد  QuIET ایفا می‌نماید.

وجود گره گذار در رابطه با اتصال متا برحسب فرمولبندی انتگرال مسیر Feynman از منشاء مکانیک کوانتومی ‌قابل درک می‌باشد [۲۴] که بر حسب آن یک الکترون متحرک از اتصال (رسانای) ۱ به اتصال ۲ همه مسیرهای محتمل درون مولکول را طی میکند؛ با قابلیت مشاهده فقط به صورت مجموع مختلط روی تمام مسیرها. در غیاب اتصال سوم ()، این مسیرها همگی درون حلقه بنزن واقع می‌شوند. یک الکترون وارد شونده به مولکول برحسب تراز فرمی ‌از بردار موج Broglie d2/ = K_F برخوردار است، که در آن A1.397=d فاصله‌گذاری بین تراز بنزن است ( در نظر داشته باشید که K_F کاملاً کمیت هندسی است و توسط  برهمکنشهای الکترون- الکترون دستخوش دگرگونی نمی‌شود]۲۵[). دو مسیر از مستقیم‌ترین مسیرها در میان حلقه از طولهای ۲d و ۴d با اختلاف فاز =  K_F2dبرخوردارند، بنابراین آنها با یکدیگر تداخل ویرانگر دارند. همچنین تمام مسیرهای عبوری از حلقه دقیقاً به روش دو به دو حذف می‌شوند و گرهی با احتمال گذار بر حسب  حاصل می‌گردد.

این گره گذار را می توان با معرفی پراکندگی الاستیک یا ناهمدوس، که تقارن مولکولی را می‌شکند، ارتقاء داد. اشکال ۲b و c تأثیر جفت شدن اتصال سوم با مولکول را به نمایش می‌گذارد و انرژی خودی و مختلط (E)₃ مربوط به اوربیتال  مجاور با اتصال ۱ یا ۲ را نمایان می‌سازد. یک انرژی خودی موهومی‌  مطابق با جفت شدگی سومین اتصال فلزی بطور مستقیم به مولکول بنزن، همانند شکل ۱ نشان داده شده است. اگر سومین اتصال همانند یک ردیاب ولتاژ با امپدانس نامحدود عمل کند، گذار مؤثر و دو پایانه ای عبارت است از:

سومین اتصال مسیرهای اضافی و ناهمدوسی [۱۲]  که قابلیت حذف را ندارند را ارائه می‌دهد، از اینرو مطابق شکل (b)2 امکان شارش جریان فراهم می‌گردد. این اثر کوانتومی‌– مکانیکی  اتصال سوم با توجه به سایر ترانزیستورهای مولکولی پیشنهادی، اساساً از مکانیزم راه گزینی متفاوتی برخوردار است مانند]۳[، این مکانیزم بر قطع متناوب الکترو استاتیکی برای کنترل جریان تکیه دارد. بعنوان یک اثبات اصل، QuIET را می‌توان با استفاده از نوک میکروسکوپ تونل زنی پویشی(STM)، به عنوان سومین اتصال، ساخت (cf شکل ۱)، همراه با جفت شدگی تونل زنی (x)₃  با اوربیتال  حلقه بنزن؛ و در آن متغیر کنترل x کنترل کننده ولتاژ پیزو در حد فاصل نوک تیز میکروسکوپ تا مولکول می‌باشد.

…

ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی

 ۴- پیاده سازی و اجرا

هراس و دلهره از مشکل اصلی یعنی مکانیزم راه گزینی مشکل عملی در مبحث ساخت نانو است. QuIET مستلزم اتصالی سوم است که به صورت موضعی با مولکول مرکزی جفت شده است، به تازگی پیشرفت قابل توجهی در این زمینه بوجود آمده است]۳۲،۳۱،۱۴[، تا به حال، تنها به تجهیزات تک مولکولی با اتصال دو گانه، و در مواقعی با قطع متناوب سراسری، دست یافته‌ایم ]۱۳[. با در نظر داشتن این موضوع، به تحقق علمی ‌و بالقوه تجهیزات باز می‌گردیم.

با استفاده از فن آوریهای بدیع در ساخت، مثل نوکهای STM فوق العاده تیز]۳۱[ یا ایجاد حفره در زیر لایه]۳۲[ ، امکان دستیابی به اتصالات چندگانه با مولکولهای بزرگ می‌تواند به زودی فراهم شود. خوشبختانه، مکانیزم QuIET نه تنها در مورد بنزن بلکه برای هر انولن آروماتیک تک حلقه‌ای با اتصالات ۱ و ۲ نیز به کار می‌رود، بصورتی که موضع گیری این دو اتصال به گونه ای است که دو مسیر از مستقیم ترین مسیرها با هم به اندازه  اختلاف فاز دارند. از این گذشته، مولکولهای بزرگتر، از پیکربندیهای محتمل دیگری در مورد اتصال نیز برخوردار می‌باشند، این پیکربندیها بر اختلاف فازهای  و  و غیره متکی هستند. به عنوان یک نمونه، شکل۵ پیکربندی اتصالات QuIET مبنی بر انولن]۱۸[ را نشان می‌دهد. از جمله مولکولهای بزرگ و حلقه مانند که از سیستم الکترونی در هم آمیخته و آروماتیک بهره مند هستند می‌توان به انولن و فتالوسیانین های فلزی و دو ارزشی اشاره نمود که به خوبی به کار گرفته می‌شوند[۱۴].

روش دیگری برای افزایش اندازه موثر مولکول، مطرح نمودن سیمهای مولکولی است که به حلقه مرکزی و اتصالات پیوند می‌خورند (به شکلهای۶ و۷ مراجعه کنید). پلیمرهای رسانا، از قبیل     پلی تیوفن، پلی آنیلین برای این کار آرمانی هستند. چنین تغییراتی می‌تواند درون اجزاء قطری انرژی خودی(E)  جذب شود، و از این رو صرفاً (E)G به صورت موضعی بهینه شود. به همین ترتیب، هنگامی‌که آنها می‌توانند به طور چشمگیر رفتار تشدید on مربوط به تجهیزات مولکولی را بهبود ببخشند، عملکرد تشدید off تا درجه زیادی دگرگون نمی‌شود. به ویژه، گره گذار در مرکز شکاف متأثر نمی‌گردد. در شکل۷ نمونه ای از QuIET یکپارچه شده با مداربندی مرسوم بر روی یک تراشه نشان داده می‌شود.

…

ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی

۵- نتیجه گیری

ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی ‌راهی را پیش روی ما قرار می‌دهد تا به طور همزمان بر مشکلات مقیاس پذیری و اتلاف توان که بعداً در تولید ترانزیستورها با آن مواجه می‌شویم، فایق آییم. به دلیل امکان تقارن دقیق در  تجهیزات مولکولی، این تقارن، شامل گره گذار دقیق در میانه شکاف می‌باشد و به عنوان وضعیت off  ابزاره به کار گرفته می‌شود. ناهمدوسی تونلی یا پراکندگی الاستیک میتواند باعث ارتقای این اثر تداخل کوانتومی‌ شود و نتیجه آن مدولاسیون جریان است. از این گذشته، تنوع وسیع ساختارهای شیمیایی بالقوه که از تقارن لازم بهره می‌برند مشکلات ساخت را آسان می‌سازند. به ویژه سیمهای مولکولی از قبیل پلیمرهای رسانا به منظور توسعه مولکول برحسب بعد یا اندازه اختیاری قابل استفاده هستند.

ترانزیستور اثر تداخل کوانتومی