Fysikers arbejde kan hjælpe med at ændre transistors fremtid

UT Dallas fysikere har offentliggjort nye fund, der undersøger de elektriske egenskaber af materialer, der kan udnyttes til næste generations transistorer og elektronik.

Dr. Fan Zhang, adjunkt i fysik, og senior fysikstuderende Armin Khamoshi offentliggjorde for nylig deres forskning om overgangsmetal -dichalcogenider, eller TMD'er, i journalen Naturkommunikation . Zhang er en medsvarende forfatter, og Khamoshi er medlederforfatter af papiret, som også omfatter samarbejdende forskere ved Hong Kong University of Science and Technology.

I de seneste år, forskere og ingeniører er blevet interesseret i TMD'er delvis, fordi de på mange måder er bedre end grafen, et et-atom tykt, todimensionalt ark af carbonatomer arrangeret i et gitter. Siden det blev isoleret første gang i 2004, grafen er blevet undersøgt for dets potentiale til at erstatte konventionelle halvledere i transistorer, krymper dem endnu mere i størrelse. Graphene er en enestående dirigent, et materiale, hvor elektroner bevæger sig let, med høj mobilitet.

"Man troede, at grafen kunne bruges i transistorer, men i transistorer, du skal kunne tænde og slukke den elektriske strøm, "Sagde Zhang." Med grafen, imidlertid, Strømmen kan ikke let slukkes. "

Ud over Graphene

I deres søgen efter alternativer, forskere og ingeniører har vendt sig til TMD'er, som også kan laves til tyndt, todimensionale ark, eller enkeltlag, kun et par molekyler tykke.

"TMD'er har noget, grafen ikke har - et energigab, der gør det muligt at kontrollere elektronstrømmen, for at strømmen tændes og slukkes, "Khamoshi sagde." Dette hul gør TMD'er ideelle til brug i transistorer. TMD'er er også meget gode absorbere af cirkulært polariseret lys, så de kunne bruges i detektorer. Af disse grunde, disse materialer er blevet et meget populært forskningsemne. "

En af udfordringerne er at optimere og øge elektronmobilitet i TMD -materialer, en nøglefaktor, hvis de skal udvikles til brug i transistorer, Sagde Khamoshi.

I deres seneste projekt, Zhang og Khamoshi leverede det teoretiske arbejde med at guide Hong Kong-gruppen om lag-for-lag-konstruktionen af ​​en TMD-enhed og om brugen af ​​magnetfelter til at studere, hvordan elektroner bevæger sig gennem enheden. Hvert enkeltlag af TMD er tre molekyler tykke, og lagene blev klemt mellem to lag af bornitridmolekyler.

"Elektroners adfærd styrer disse materialers adfærd, "Sagde Zhang." Vi vil gøre brug af meget mobile elektroner, men det er meget udfordrende. Vores samarbejdspartnere i Hong Kong gjorde betydelige fremskridt i den retning ved at udtænke en måde at øge elektronmobiliteten betydeligt. "

Teamet opdagede, at hvordan elektroner opfører sig i TMD'erne, afhænger af, om der blev brugt et lige eller ulige antal TMD -lag.

"Denne lagafhængige adfærd er et meget overraskende fund, "Sagde Zhang." Det er ligegyldigt, hvor mange lag du har, men hellere, om der er et ulige eller lige antal lag. "

Elektronisk fysik

Fordi TMD -materialerne fungerer på skalaen for individuelle atomer og elektroner, forskerne indarbejdede kvantefysik i deres teorier og observationer. I modsætning til klassisk fysik, som beskriver adfærden for store objekter, som vi kan se og røre ved, kvantefysikken styrer området for meget små partikler, herunder elektroner.

På størrelsesskalaen til hverdagens elektriske apparater, elektroner, der strømmer gennem ledninger, opfører sig som en strøm af partikler. I kvanteverdenen, imidlertid, elektroner opfører sig som bølger, og den elektriske tværgående konduktans af det todimensionale materiale i nærværelse af et magnetfelt er ikke længere som en strøm-det ændrer sig i diskrete trin, Sagde Zhang. Fænomenet kaldes quantum Hall conductance.

"Quantum Hall -konduktans kan ændre sig trin for trin, eller to trin for to trin, og så videre, "sagde han." Vi fandt ud af, at hvis vi brugte et lige antal TMD -lag i vores enhed, der var en 12-trins kvanteledningsevne. Hvis vi anvendte et stærkt nok magnetfelt til det, det ville ændre sig med seks trin ad gangen. "

Brug af et ulige antal lag kombineret med et lavt magnetfelt resulterede også i en 6-trins kvantehalskonduktans i TMD'erne, men under stærkere magnetfelter, det blev et 3-trin for 3-trins fænomen.

"Den type kvante Hall -konduktans, vi forudsagde og observerede i vores TMD -enheder, er aldrig blevet fundet i noget andet materiale, "Sagde Zhang." Disse resultater dechifrerer ikke kun de iboende egenskaber ved TMD -materialer, men også demonstrere, at vi opnåede høj elektronmobilitet i enhederne. Dette giver os håb om, at vi en dag kan bruge TMD'er til transistorer. "