Wetenschappers maken transistor van een enkel atoom

Onderzoekers van drie universiteiten hebben gezamenlijk 's werelds kleinste transistor gebouwd. Het risico die titel te verliezen lijkt gering, aangezien de transistor uit slechts een enkel atoom bestaat; kleiner zal lastig worden.

De samenwerking tussen onderzoekers van de universiteiten van Melbourne, New South Wales en Purdue leidde tot een transistor die uit slechts één atoom bestaat, zo publiceren ze in Nature. De groep onderzoekers houdt zich al langer bezig met atomaire constructies; eerder ontwikkelden ze een draad van vier atomen fosfor en silicium, die zich als een koperdraad gedroeg. Ook voor hun atomaire transistor zetten de onderzoekers een fosforatoom in, dat als de gate in een siliciumtransistor dient.

De term 'transistor van één atoom' is dus wat overdreven, maar het gaat de onderzoekers om het zeer precies plaatsen van een enkel atoom in een siliciumondergrond. Daarbij slaagden de onderzoekers er voor het eerst in hun fosforatoom met atomaire precisie in het siliciumkristal te plaatsen, met een afwijking van slechts één atoom. Daarbij wordt één siliciumatoom in een fragment van twee bij drie atomen vervangen door een fosforatoom, waarbij gebruikgemaakt wordt van een elektronenmicroscoop en hoge temperaturen om het atoom te plaatsen.

De werking van de atomaire transistor kan juist alleen plaatsvinden bij lage temperaturen, waarbij de transistor door vloeibaar helium gekoeld wordt. De techniek zou gebruikt kunnen worden om transistors kleiner te maken, door zeer precieze plaatsing van 'verontreinigingen' in silicium, het zogeheten doteren. Nog voordat de fysieke grenzen van transistors bereikt worden, zou de onnauwkeurigheid van huidige doteringstechnieken tot onvoorspelbaarheid in transistors leiden. Met de nieuwe, precieze dotering zouden kleinere transistors mogelijk zijn.

Reacties (31)

[Sissors]

Interesant verhaal, maar het klopt toch niet. Het fosfor atoom is niet de gate van de transistor, het is de dotering, toch iets compleet anders.

Het heeft dan ook helemaal niks met een 1 atoom transistor te maken, het is een gewone dualgate mosfet waarbij in tegenstelling tot een normale mosfet de gate heel ver bij het kanaal vandaan is omdat de gate ook in het vlak is gemaakt, in plaats van erbovenop.

Als je kijkt naar de afmetingen is het natuurlijk idioot om van een 1-atooms transistor te spreken, 20nm gate lengte, wat je waarschijnlijk ook met een 22nm procedé kan maken (minimum gate lengte normaal gesproken iets kleiner dan procedé), en een gate afstand van 54nm, ter vergelijking, in een 22nm procedé gok ik dat die afstand zon 1nm is.

Oftewel deze transistor is niks kleiner dan iets wat met een modern CMOS proces al gemaakt wordt, sterker nog hij is groter en waarschijnlijk hopeloos inefficient dankzij zijn gate afstand.

Wat ze wel hebben gedaan is de dotering heel nauwkeurig geplaatst, waardoor random verschillen kleiner worden tussen transistoren, en gezien de beperkte hoeveelheid atomen in het kanaal van een MOSFET wordt dat ook belangrijker. Dus hoewel het uiteraard onmogelijk is dit in massaproductie te doen, zijn zulk soort dingen wel relevant voor kleinere transistoren, maar het een 1 atooms transistor noemen is gewoon onzinnig.

Editje: scheve zin gefixed

[Reactie gewijzigd door Sissors op 30 juli 2024 22:52]

[Verwijderd]

Eh, is dit niet exact hetzelfde als dit TU bericht uit 2006?

[bazs2000]

Nee, niet helemaal hetzelfde. Het TU-onderzoek richtte zich op het gedrag van het atoom terwijl het artikel hier rept over de manier waarop het atoom wordt geplaatst. Lijkt erop maar is niet hetzelfde.

[The Jester]

Ze hebben dus een siliciumatoom een dotterbehandeling doteerbehandeling gegeven

Even on topic:
Hoe kunnen ze een fosforatoom precies plaatsen bij hoge temperaturen? Ik dacht dat hoe hoger de temperatuur, hoe bewegelijker het atoom. Kan iemand mij dit uitleggen?

[benji83]

Het gaat juist om lage temperaturen, vloeibaar helium

edit: ik moet zelf beter lezen

[Reactie gewijzigd door benji83 op 30 juli 2024 22:52]

[ravenger]

Goed lezen. Het plaatsen gebeurt onder hoge temperaturen; het werken van de transistor juist onder lage temperaturen.

[dasiro]

de transistor WERKT alleen bij lage temperaturen, hij is GEPRODUCEERD op een hoge temperatuur.

[dasiro]

misschien dat ze het silicium eerst zo instabiel moeten maken voordat ze het fosforatoom in de gate kunnen plaatsen.

vergelijk het met het samensmelten van 2 metalen.

[Miepermans]

Hmm, Nice alles wordt echt steeds kleiner. Ik hoop alleen wel dat er toch mogelijkheden ontwikkeld worden om deze atomaire transistoren ook bij huiskamer temperaturen te gebruiken.

Wat ik niet uit het stuk op kan maken, is of de transistor kapot gaat bij normale temperaturen, of dat deze alleen tijdens in bedrijf zijn gekoeld moet worden.

Als er een normale temperatuur variant uitkomt, dan kunnen zelfs cpu's nog kleiner worden gemaakt.. Erg interessant

[Vorticon]

"Daarbij wordt één siliciumatoom in een fragment van twee bij drie atomen vervangen door een fosforatoom, waarbij gebruikgemaakt wordt van een elektronenmicroscoop en hoge temperaturen om het atoom te plaatsen."

Ik begrijp niet zo goed waarom de temperatuur zo hoog moet zijn om de atoom te plaatsen. Bij hogere temperaturen lijkt me dat juist lastiger! Kan iemand dit uitleggen?

[Svardskampe]

Bij hogere temperaturen lijkt me dat juist lastiger! Kan iemand dit uitleggen?

Door energie toe te voegen kun je verbindingen "forceren" tussen atomen, om het maar kort te zeggen.

[bazs2000]

Mooi dat ze het hebben gedaan maar bruikbaar is het niet.

Stel je voor dat men een processor zou maken die is gebaseerd op deze techniek. De transistoren moeten dan netjes worden gepositioneerd op de ondergrond en dan ook zo dat de sturende componenten er ook goed bij kunnen.

Op het moment dat de nauwkeurigheid één atoom afwijkt en de transistor bestaat uit één atoom dan heb je het over een nauwkeurigheid van 50%. Niet helemaal waar natuurlijk want als je 100 atomen op deze manier positioneert, hoeveel zijn er dan 'versprongen'?

Dat deze techniek niet nauwkeurig is heeft tot gevolg dat deze ook niet efficiënt kan worden ingezet. De atomen die niet goed zijn geplaatst kunnen niet goed schakelen (er moet nog iets doorheen) omdat de sturende componenten er niet bij kunnen (deze worden anders gepositioneerd ten opzichte van het atoom).

Wanneer je vandaag de dag een processor zou bakken op dit procedé dan zou deze processor veel steken laten vallen. De vraag is of het ooit gaat lukken om dit efficiënt genoeg te maken.

Als dit dan wel op een efficiënte manier kan worden uitgevoerd dan zit je ook weer op het vlak waarop men zich wil begeven om een quantumcomputer te maken. Dan zou die éne atoom ook een qubit kunnen zijn.

Volgens mij willen de wetenschappers kijken of ze dit goed onder de knie kunnen krijgen om misschien toch de stap te maken naar een quantumprocessor. Daar zit het probleem vooral in de levensduur van een qubit en het uitlezen ervan.

Zeer interessante ontwikkeling dit.

[Verwijderd]

Met 1 atoom lijkt elektron migratie mij toch wel een heel significant probleem te worden.

http://en.wikipedia.org/wiki/Electromigration

[actionInvoke]

"kleiner zal lastig worden"

Kleiner is altijd lastig of onmogelijk totdat iemand het doet, dan wordt het opeens mogelijk of zelfs makkelijk.


We weten dat er kleinere (elementaire) deeltjes zijn dus zou het mogelijk ooit kunnen.

[Verwijderd]

Nou ASML zal het druk krijgen. nieuwe wafers zullen dan gemaakt kunnen worden.
hoeveel transistors krijgen ze dan wel niet op een CPU?

[GeniusDex]

Vooralsnog is het ze gelukt om een enkele (of hooguit een paar) transitor te maken op deze manier. Voordat er een manier is die commercieel bruikbaar is zijn we waarschijnlijk minstens 10 jaar verder en dan is ASML misschien een keer aan zet.

Een belangrijker probleem is dat deze transistor alleen werkt met hele lage temperaturen, dus voor huis-, tuin- en keukenchips is dit compleet onhandig. Aangezien ASML vooral machines voor de fabricage daarvan levert denk ik niet dat je dit snel binnen ASML zult vinden.

[wootah]

Het lijkt me sterk dat 10 jaar later iedereen een supergekoelde cpu heeft draaien...
supergekoeld lijkt mij alsnog alleen voorbestemd voor tests, en wellicht als supercomputer setup (ver in de toekomst).

aan de andere kant... intel heeft al 14nm cpu's werkend, en in 2015 zouden er al 11nm chips moeten zijn: http://en.wikipedia.org/wiki/11_nanometer
maar supergekoeld is nog steeds, en blijft (na mijn idee), er lastig

[mux]

Nou, dat valt reuze mee hoor. Er is een goede kans dat we binnen vrij korte tijd chips hebben die supergekoeld werken, want je hoeft helemaal niet zoveel moeite te doen om enkele tienden van grammen, of zelfs minder, tot een temperatuur af te koelen waar het supergeleidingseffecten krijgt. Zo'n koelsysteem hoeft maar enkele honderden grammen te wegen en hoeft ook niet eens duur te zijn.

Het grootste probleem om dit voor elkaar te krijgen is communicatie. Momenteel is het niet mogelijk om supergekoelde chips te maken omdat we draadjes van koper nodig hebben om tussen de chip en de buitenwereld te leggen, en dat zorgt ervoor dat er hele grote thermische krachten op de verbindingen komen te staan, om maar niet te spreken over de gigantische hoeveelheid warmte die die draadjes naar de chip toe verplaatsen. Een chip zal thermisch geïsoleerd moeten zijn om dit voor elkaar te krijgen, en daarvoor zijn bijvoorbeeld lichttransistors heel geschikt. Dat is een van de toepassingen van lichttransistoren waar met veel anticipatie naar wordt gekeken.

[postbus51]

eerder ontwikkelden ze een draad van vier atomen fosfor en silicium, die zich als een koperdraad gedroeg

Denk dat dat fysieke warmte overdracht probleem al is opgelost ,btw zijn nog meer
elementen die 'rare/onverwachte' eigenschappen vertonen in het single-atom-use

[Toettoetdaan]

Supergekoeld is gewoon al te koop hoor
http://www.dwavesys.com/en/products-services.html

Kwantum computer die gekoeld wordt tot 20microKelvin.

[Finraziel]

20 microKelvin?! Ik zal niet zeggen dat ik nou al te veel van dit veld weet, maar dat klinkt wel erg laag... Ook als ik op die site eens verder neus kom ik wat anders tegen, ze hebben het zelf over 4 kelvin algemeen en onder 30mK (milli, niet micro, nogal een verschil) voor de processor:
http://www.dwavesys.com/e...yogenics_io_shielding.pdf

Ik moet wel toegeven dat 30 milliKelvin ook al lager is dan wat ik dacht dat ze konden bereiken...

[watercoolertje]

Het risico die titel te verliezen lijkt gering, aangezien de transistor uit slechts een enkel atoom bestaat; kleiner zal lastig worden.

Volgens mij is het anders een kwestie van tijd voor we ontdekkenb dat het nog kleiner kan... Of als je in de snaar-theorie geloofd is dat zelfs al het geval

De term 'transistor van één atoom' is dus wat overdreven

Het is of wel zo of niet, niet iets er tussen in lijkt me...

Klinkt allemaal heel leuk natuurlijk (ookal snap ik er weinig van, enige wat ik snap is dat we iig nog een stuk kleiner kunnen gaan dan we nu hebben, ookal gaat dat nog wel even duren in consumenten producten), maar zijn ze ook over te klokken

Maargoed ik snap niet helemaal hoe deze transistor kan schakelen? Of moet dat met een apparaat gedaan worden (herplaatsen van de atoom?)... Lijkt me er iig niet sneller op worden dan

[Ghost Dog]

Op de afbeelding is te zien dat de transistor, net als andere transistors, een Source (S), Drain (D), en twee gates (G1 en G2) heeft. Het lijkt me dat de transistor, net als de meeste andere transistors, geschakeld kan worden door de Source-spanning te veranderen, waarmee de schakeling tussen G1 en G2 geopend dan wel gesloten kan worden.
Zoals te zien is zijn de source, drain en gates veel groter (~10nm) dan een enkel atoom, maar het schakelende gedeelte zelf is dus wel erg klein maar de dotering is dus erg nauwkeurig geplaatst.

Reactie gewijzigd n.a.v. furby-killers reactie.

[Reactie gewijzigd door Ghost Dog op 30 juli 2024 22:52]

[Grrrrrene]

@watercoolertje: helder, ik had precies dezelfde gedachte. Dit is geen transistor die uit één enkel atoom bestaat, nee deze bestaat (als ik de tekst goed begrijp) uit een rooster van (2 x 3) Si-atomen waarin een enkel P-atoom wordt geplaatst en een Si-atoom verwijderd.

Maar hoe de transistor daarna precies werkt is mij ook onduidelijk, ook na de uitleg van Ghost Dog, want dat is gewoon de algemene werking van een transistor. Ik had graag wat meer achtergrondinformatie gelezen over de fysische werking van deze transistor

[Marathir]

| Het risico die titel te verliezen lijkt gering, aangezien de transistor uit slechts een enkel | atoom bestaat; kleiner zal lastig worden.

Volgens mij is het anders een kwestie van tijd voor we ontdekkenb dat het nog kleiner kan... Of als je in de snaar-theorie geloofd is dat zelfs al het geval

Ik verwacht binnen het jaar een publicatie waarin een kleinere atoom dan dit gebruikt wordt. Of wellicht zelfs een elektron?

[postbus51]

Denk niet dat kleiner kan , want dan zou je in principe je eigen element kunnen maken
Met zijn totaal eigen "nieuwe" eigenschappen dus ook instaat goud te maken