To-dimensionelle materialer åbner vejen til transistorer med meget lav effekt

Et internationalt hold af videnskabsmænd har opdaget en ny vej til transistorer med ultralav effekt ved hjælp af et grafenbaseret kompositmateriale.

Da transistorer presses ind i stadig mindre områder inden for computerchips, halvlederindustrien kæmper for at begrænse overophedning i enheder.

Nu mener forskere fra University of York og Roma Tre University, at løsningen ligger i kompositmaterialer bygget af monolag af grafen og overgangsmetal -dichalcogenid (TMDC) .De opdagede, at disse materialer kunne bruges til at opnå en fin elektrisk kontrol over elektronens spin - dens lille kompasnål.

Den nye forskning, offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , kunne føre vejen til tiltrængt elektronik med lavt energiforbrug.

Lederforsker Dr. Aires Ferreira, fra University of Yorks Department of Physics, sagde:"I mange år, vi har ledt efter gode ledere, der muliggør effektiv elektrisk kontrol over elektronens spin.

"Vi fandt ud af, at dette kan opnås med lille indsats, når todimensionel grafen er parret med visse halvledende lagdelte materialer. Vores beregninger viser, at anvendelsen af ​​små spændinger over grafenlaget inducerer en nettopolarisering af ledningsspins.

"Vi mener, at vores forudsigelser vil tiltrække betydelig interesse fra spintronics -samfundet. Den fleksible, atomisk tynd karakter af den grafenbaserede struktur er en stor fordel for applikationer. Også, tilstedeværelsen af ​​en halvledende komponent åbner mulighed for integration med optiske kommunikationsnetværk. "

Elektronens spin er som en lillebitte, punktlignende magnet, der kun kan pege i to retninger, op eller ned. I materialer, hvor en stor brøkdel af elektronernes spind er justeret, der produceres en magnetisk reaktion, som kan bruges til at kode information.

'Spin-strømme' - bygget af 'op' og 'ned'-spin, der flyder i modsatte retninger - bærer ingen nettoladning, og derfor i teorien, producerer ingen varme. Styringen af ​​spin-information ville derfor åbne vejen mod ultra-energieffektive computerchips. Forskerteamet viste, at når en lille strøm ledes gennem grafenlaget, elektronernes spin polariseres i plan på grund af 'spin-orbital'-kræfter forårsaget af nærheden til TMDC-basen. De viste også, at effektiviteten af ​​lad-til-spin-konvertering kan være ret høj selv ved stuetemperatur.

Manuel Offidani, en ph.d. -studerende med York's Department of Physics, udført de fleste af de komplekse beregninger i denne undersøgelse. Han sagde:"Den strøminducerede polarisering af elektronens spin er et elegant relativistisk fænomen, der opstår ved grænsefladen mellem forskellige materialer.

"Vi valgte grafen hovedsageligt på grund af dets suveræne strukturelle og elektroniske egenskaber. For at forstærke de relativistiske virkninger, ladningsbærere oplever i grafen, vi undersøgte muligheden for at matche den med nyligt opdagede lagdelte halvledere. "

Professor Roberto Raimondi, der leder spintronics -gruppen ved Roma Tre University, sagde:"Muligheden for at orientere elektronspinnet med elektriske strømme tiltrækker stor opmærksomhed i spintronics -samfundet og opstår generelt som en konsekvens af specifikke symmetriforhold.

"Som sådan repræsenterer dette fænomen et perfekt eksempel, hvor grundlæggende og anvendt forskning går lykkeligt sammen. I denne henseende, vores beregninger viser, at grafen kombineret med overgangsmetal -dichalcogenider er en ideel platform, hvor abstrakte teoretiske principper umiddelbart kan finde anvendelse ved at vise vejen til eksperimentel og teknologisk udvikling. "

Strøminduceret spin-polarisering i ikke-magnetiske medier blev første gang demonstreret i 2001 i halvledere og, for nylig, i metalliske hetero-grænseflader. Nu forudser forskerne, at en lignende effekt forekommer i grafen på TMDC-monolag.

Overraskende fandt de ud af, at den unikke karakter af elektroniske tilstande i grafen muliggør konverteringseffektivitet på op til 94 procent. Dette åbner muligheden for, at et grafenbaseret kompositmateriale bliver grundlaget for ultrakompakte og grønnere spin-logiske enheder.

Dr Mirco Milletarì, tidligere medlem af spintronics -gruppen ved Roma Tre University, sagde:"Dette arbejde følger indsigt opnået ved at forstå grundlæggende love, der gjorde det muligt for os at forestille os systemer, hvor effektiviteten af ​​charge-to-spin-konvertering kan være optimal for teknologiske applikationer. Især den meget nødvendige elektronik med lavt energiforbrug, der vil forbedre holdbarheden og ydeevnen for fremtidige enheder."