Forskere kontrollerer ledning, overfladetilstande i topologiske isolator nanobånd

I de seneste år, topologiske isolatorer er blevet et af de hotteste emner i fysik. Disse nye materialer fungerer som både isolatorer og ledere, med deres indre forhindrer strømmen af ​​elektriske strømme, mens deres kanter eller overflader tillader bevægelse af en ladning.

Måske vigtigst af alt, overfladerne på topologiske isolatorer muliggør transport af spin-polariserede elektroner, mens de forhindrer "spredning", der typisk er forbundet med strømforbrug, hvor elektroner afviger fra deres bane, resulterer i spredning.

På grund af sådanne egenskaber, disse materialer rummer et stort potentiale til brug i fremtidige transistorer, hukommelsesenheder og magnetiske sensorer, der er meget energieffektive og kræver mindre strøm.

I en undersøgelse offentliggjort i dag i Natur nanoteknologi , forskere fra UCLA's Henry Samueli School of Engineering and Applied Science og fra materialeafdelingen ved Australiens University of Queensland viser løftet om overfladeledningskanaler i topologiske isolator-nanobånd lavet af bismuthtellurid og demonstrerer, at overfladetilstande i disse nanobånd er "tunable" - kan tændes og slukkes afhængigt af Fermi-niveauets position.

"Vores fund muliggør en række muligheder for at opbygge en potentiel ny generation, lavdissiperende nanoelektroniske og spintroniske enheder, fra magnetisk registrering til opbevaring, " sagde Kang L. Wang, Raytheon professor i elektroteknik ved UCLA Engineering, hvis team udførte undersøgelsen.

Bismuthtellurid er velkendt som et termoelektrisk materiale og er også blevet forudsagt at være en tredimensionel topologisk isolator med robuste og unikke overfladetilstande. Nylige eksperimenter med vismuttellurid bulkmaterialer har også foreslået todimensionelle ledningskanaler, der stammer fra overfladetilstandene. Men det har været en stor udfordring at ændre overfladeledning, på grund af dominerende bulkbidrag på grund af urenheder og termiske excitationer i sådanne halvledere med lille båndgab.

Udviklingen af ​​topologiske isolator nanobånd har hjulpet. Med deres store overflade-til-volumen-forhold, disse nanobånd forbedrer overfladeforholdene markant og muliggør overflademanipulation med eksterne midler.

Wang og hans team brugte tynde bismuthtellurid nanobånd som ledende kanaler i felteffekttransistorstrukturer. Disse er afhængige af et elektrisk felt til at kontrollere Fermi-niveauet og dermed ledningsevnen af ​​en kanal. Forskerne var i stand til for første gang at demonstrere muligheden for at kontrollere overfladetilstande i topologiske isolatornanostrukturer.

"Vi har demonstreret en klar overfladeledning ved delvist at fjerne bulkledningen ved hjælp af et eksternt elektrisk felt, " sagde Faxian Xiu, en forskningsmedarbejder ved UCLA og hovedforfatter af undersøgelsen. "Ved at justere portspændingen korrekt, meget høj overfladeledning blev opnået, op til 51 pct. som repræsenterer de højeste værdier i topologiske isolatorer."

"Denne forskning er meget spændende på grund af muligheden for at bygge nanoenheder med et nyt driftsprincip, " sagde Wang, som også er associeret direktør for California NanoSystems Institute (CNSI) ved UCLA. "Meget ligner udviklingen af ​​grafen, de topologiske isolatorer kunne laves om til højhastighedstransistorer og ultrahøjfølsomme sensorer."

De nye resultater kaster lys over kontrollerbarheden af ​​overfladespin-tilstande i topologiske isolator-nanobånd og demonstrerer betydelige fremskridt hen imod elektriske betingelser med høj overflade til praktiske enhedsanvendelser. Det næste skridt for Wangs team er at producere højhastighedsenheder baseret på deres opdagelse.

"Det ideelle scenarie er at opnå 100 procent overfladeledning med en fuldstændig isolerende tilstand i hovedparten, " sagde Xiu. "Baseret på det nuværende arbejde, vi sigter mod højtydende transistorer med et strømforbrug, der er meget mindre end den konventionelle komplementære metaloxid-halvleder-teknologi (CMOS), der typisk bruges i nutidens elektronik."

Studiesamarbejdspartnere Jin Zou, en professor i materialeteknik ved University of Queensland; Yong Wang, en Queensland International Fellow; og Zous team ved afdelingen af ​​materialer ved University of Queensland bidrog væsentligt til dette arbejde. En del af forskningen blev også udført i Alexandros Shailos' laboratorium ved UCLA.