Bilim ve teknoloji özellikle son yarım asırdır yaşam koşullarımızı ekonomik olarak iyileşmesi ve büyümesinin sağlanmasını gerek mühendislik anlamında gerek de bilgi anlamında güçlü bir şekilde ortaya koymuştur. Yeni bilimsel keşifler yeni teknolojilere yol açmış, yeni teknolojiler ise yeni bilimsel keşiflere. Transistörün keşfi örneğin bilgi çağının kapılarını açan bir devrimin kendisi olmuştur. Bu devrim bu anlamda gelişen bilgisayarlar ile üretilen bilginin oluşmasında rol alabilmiştir. Öte yandan çok küçük transistörleri yapmak için gelişen teknoloji nanobilimi doğurmuştur. Tek elektron transistörler ise bu yeni bilimin örneğidir. Bu yeni bilimde elektronik endüstrisi kullanılarak geliştirilen teknikler sayesinde nanometre büyüklüklerine elektronların sınırlandırılması önemli bir keşif olmuştur.
1970’lerin sonunda bir çok fizikçi bir veya iki boyutlu olarak hareketin sınırlandırılması gibi alışılmadık yollarda elektronların davranışlarının ne olacağı yönünde sorular sormaya ve bu soruların cevabını aramaya başlamışlardı. Alan etkili transistörler doğal yolla iki boyutlu sınırlamayı sağlıyordu. Silikon (Si) yüzeyinde inversiyon katmanında elektronlar düşük sıcaklıklarda yüzeye dik bir şekilde tek bir dalgaboyuna sahip olarak hareket ederler. Bu da onların hareketini iki boyutlu yapar. Güçlü manyetik alanlarda iki boyutlu elektron gazına (İng. 2DEG) dair sonuçlanan çalışmalar kuantum Hall etkisinin keşfine yol açtı. Yüksek hızlı elektroniği sağlamada kullanılan modülasyon katkılama çok yüksek hareketliliğe sahip 2DEG’in oluşmasında rol oynar ve böylece kesirli kuantum Hall etkisinin keşfine de yol açmış olur.
Credits: William Algar-Chuklin, College of Fine Arts, The University of New South Wales.
Elektronların iki boyut değil de bir boyutta sınırlandırılması o zaman için yeni bir olgunun meydana gelmesini sağladı. Çok dar tellerin yapılması zayıf lokalizasyon olarak adlandırılan davranışı açığa vurmuştur ve bu elektronlar arasındaki etkileşimlerin de değiştiğini göstermiştir. Evrensel iletkenlik dalgalanmaları olarak adlandırılan bu davranış istatiksel olmayan bir şekildedir.
Bir veya iki boyutlarda hareket eden elektronlar çarpıcı sonuçlara sahiptirler, böylece tüm üç boyutlarda elektronların sınırlandırılmasının yeni bir fiziğe yol açması şüphesiz ki şaşırtıcı olmaz. Fizikçiler bu sınırlanmanın yükün kuantizasyonuna/kuantumlanmasına neden olduğunu gösterdiler. Sonuç olarak, bir transistör uzayın küçük bir bölgesine elektronların sınırlandırılmasıyla/hapsedilmesiyle yapılır. Geleneksel bir alan etkili transistörde sadece bir defa elektronlar ona katıldığında çalışırken bu transistörlerin yeni bir çeşidi ise sadece bir elektronun ilave edilmesiyle çalışır ve hatta kapatılabilir. Bu nedenle bu yeni transistöre ‘tek elektron transistör’ adı verilmiştir.
Ancak, sınırlama sadece yükü değil elektronların enerjisini de kuantize etmektedir. Böylece, sınırlanan elektron sistemi kuantize uyarılmış enerjilerle bir atom gibi davranan bilindik bir sisteme dönüşür. Son yıllarda bilim insanları bu atom benzeştirmesini genişletmektedirler. M. A. Kastner 2002 yılında yayınladığı makalede, tek elektron transistörlerde sınırlanan elektronlar arasındaki etkileşmeyi açıkladı ve bu etkileşmeyi metallerdeki manyetik safsızlıklarla ilgili bir teori sayesinde niceliksel olarak tanımladı [1].
Uygulamalar ve Zorluklar
Tek elektron transistörlerin gelecekte sadece birkaç elektron içeren ultra-düşük güç işlevinin sağladığı potansiyel yüzünden düşük güç ve yüksek yoğunluklu entegre/tümleşik devrelerde kullanılabileceği düşünülüyor.
Pratik uygulamalarda kullanışlı olması için tek elektron transistörler oda sıcaklığında çalışır vaziyette olmaları gerekir. Kapasitans ve termal dalgalanma sınırlanmaları tek elektron transistörlerin ‘ada büyüklüğü’nün 10 nanometreden (Bir insan saç telinin yüz binde birinden biraz daha büyük) büyük olmamasını gerektirir. Bu da günümüz mikrofabrikasyon süreçlerinin -biraz- dışında kalan bir aralığa denk gelmektedir.
Tek elektron hafıza oda sıcaklığı çalışırlığı ince poli-silikon filmler üzerine kendiliğinden organize olan çok küçük büyüklükteki yapıların kullanımı gerçekleştirilmektedir. Ancak, kendiliğinden oluşan fabrikasyon yöntemi ile tek elektron transistörlerin ada (bu adayı bir kuantum nokta olarak düşünebilirsiniz) yapısı ve büyüklüğünün kontrolü zordur [2]. Kullandığım referans biraz eski sayılabilir bu nedenle günümüzde daha gelişkin mikrofabrikasyon yöntemlerinin olduğunu belirtmeliyim.
Tek elektron transistörlerin uygulamaları arasında kuantum bilgisayarları, süperduyarlıklı elektrometreyi, tek-elektron spektroskopisini, kızıl ötesi ışıma algılamayı, gerilim ve yük gibi durumlara ilişkin mantık devrelerini söyleyebiliriz.
Araştırmacılar bir gün silikon çiplerin (yongalar) moleküler versiyonları için bu transistörleri ekleyebilirler ama hala bunun için aşılması gereken zorluklar var. Yine de tek elektron transistörleri için çoğu araştırmacı parlak bir gelecek bekliyor.
Gökhan Atmaca, MSc facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynaklar:
- M.A. Kastner, Int. Journ. High Speed Elect. and Syst., Vol. 12, No 4, 1101-1133 (2002)
- http://luciano.stanford.edu/~shimbo/set.html
- http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/wasshuber/node23.html
- http://airccse.org/journal/vlsi/papers/1210vlsics03.pdf
