Skiftende ledningstilstand - et skridt mod topologiske transistorer

FLEET-forskere opnåede et betydeligt vartegn i søgningen efter en funktionel topologisk transistor i 2017, ved at bruge et påført elektrisk felt til at skifte den elektroniske ledningstilstand for et topologisk materiale.

En 'gate'-elektrode blev brugt til at skifte ledningstilstanden i det topologiske materiale Na ₃ Bi.

Na ₃ Bi er et topologisk Dirac-semimetal (TDS), et materiale, der er blevet omtalt som "3-D grafen."

"Elektroner, der bevæger sig inden for en TDS, opfører sig på samme måde som grafen, bevæger sig relativistisk (dvs. som om de ikke har nogen masse), " forklarer FLEET associeret efterforsker Dr. Mark Edmonds, en medforfatter på papiret.

Ledningstilstand i TDS blev skiftet mellem 'n-type' ledning (hvor strømmen bæres af elektroner) og 'p-type' ledning (hvor strømmen bæres af huller – effektivt, manglende elektroner).

Værket repræsenterede den første succesrige, enkel, tyndfilmstransistor lavet af et topologisk halvmetal og den første transistor lavet af Na ₃ Bi.

Som den første transistor lavet af ethvert topologisk Dirac-semimetal i fast tilstand, tyndfilmsform, dette viser, at teknologien er modtagelig for bearbejdning til elektroniske enheder over store områder.

Som den første demonstration af, at elektroniske egenskaber med succes kan manipuleres af et påført elektrisk felt, det var også et skridt på vejen mod mere komplekst, omskiftelige topologiske transistorer.

I komplekse, omskiftelige topologiske transistorer, nøglen er evnen til at skifte et materiale mellem en konventionel isolator, og den topologiske tilstand. Ideelt set en sådan omskiftning ville blive opnået via et elektrisk felt induceret af en spænding påført transistorens gate-elektrode.

En sådan teknologi ville bruge en topologisk Dirac-semimetal som kanalmateriale, balanceret mellem en konventionel isolator og en topologisk isolator.

"Disse resultater gør den topologiske Dirac semimetal Na ₃ Det er en utrolig frugtbar platform til at udforske nogle meget spændende nye områder inden for fysik, " siger FLEET Ph.D.-studerende James Collins, en medforfatter på undersøgelsen.

"Det betyder Na ₃ Bi er et ideelt udgangspunkt for at realisere kontrol over de topologiske egenskaber af et materiale."

Dette arbejde er derfor et væsentligt skridt hen imod to centrale mål for FLEETs forskningstema 1, som søger at udvikle ultra-lav modstand elektroniske veje via topologiske materialer:

• En atomisk tynd topologisk isolator med båndgab større end 77 grader Kelvin
• Vellykket skift fra en konventionel isolator til en topologisk isolator.

Projektet repræsenterede et vellykket tværfagligt samarbejde mellem eksperter i tyndfilmsvækst og elektronisk karakterisering ved Monash University, og teoretisk modellering ledet af FLEET Associate Investigator Dr. Shaffique Adam ved National University of Singapore.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Materialer til fysisk gennemgang i oktober 2017, Vol. 1, udgave 5.

Topologiske transistorer og FLÅDE

Det vellykkede skifte af et materiale fra konventionel isolator til topologisk isolator er et vigtigt skridt hen imod topologiske transistorer.

Topologiske isolatorer er nye materialer, der opfører sig som elektriske isolatorer i deres indre, men kan føre en strøm langs deres kanter. I modsætning til en konventionel elektrisk vej, sådanne topologiske kantbaner kan føre elektrisk strøm med næsten nul spredning af energi, hvilket betyder, at topologiske transistorer kan skifte uden at forbrænde energi. Topologiske materialer blev anerkendt i 2016 Nobelprisen i fysik.

Topologiske transistorer ville skifte, " ligesom en traditionel transistor. Anvendelsen af ​​et gatepotentiale ville skifte kantbanerne i en Na ₃ Bi-kanal mellem at være en topologisk isolator ('on') og en konventionel isolator ('off').