Forskeres opdagelse kan have en kraftig effekt på elektronik

Kvantemekanikkens felt beskæftiger sig med materialer ved atomare dimensioner, og store opdagelser sker ofte i meget lille skala. Forskere ved Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, i samarbejde med et internationalt hold af ingeniører og videnskabsmænd, har afsløret et fænomen, der kan få store konsekvenser for udviklingen af ​​nano-elektroniske kredsløb og enheder.

I en nylig artikel offentliggjort i Naturkommunikation , forskerne beskriver for første gang, hvordan vokset og stablet, atomisk tynde materialer kan udvise en unik transporteffekt, kaldet negativ differentiel modstand, eller NDR, ved stuetemperatur.

NDR er et fænomen, hvor elektroner, på grund af deres bølgenatur, tunnel gennem tynde materialer med varierende modstand.

"Det hele begynder med materialer kaldet overgangsmetal dichalogenider, eller TMD'er, som kan danne et atomisk tyndt lag, der opfører sig som en halvlederkontakt, " sagde medforfatter Dr. Robert Wallace, der er professor i materialevidenskab og teknik og besidder Erik Jonsson Distinguished Chair ved UT Dallas. "TMD'er bliver nu udforsket for at se, om de kan bruges til at producere det ultimative inden for lavt strømforbrug, højhastighedstransistorteknologi."

Denne udforskning er vigtig for elektronikingeniører, der er interesseret i fremtidige transistorer. Når de dyrkes i atomisk tynde lag, overfladerne på TMD'er forventes at være perfekte halvledere til atomisk tynde transistorer, helst uden defekter, tillader en superhurtig "tænd" og "sluk" adfærd ved meget lave spændinger.

"Hvis det indses, disse materialer kunne revolutionere elektronikindustrien og bedre muliggøre endnu højere ydeevne bærbare enheder som smartphones og Internet of Things. Deres atomare tynde lags natur giver anledning til konceptet om todimensionelle halvledermaterialer, " sagde Wallace.

Dr. Moon Kim, som har Louis Beecherl Jr. Distinguished Chair og er professor i materialevidenskab og teknik ved UT Dallas, var medforfatter på papiret.

"Denne forskning er den første af sin art til at demonstrere en praktisk måde at fremstille nano-elektroniske enheder med ét atomlag ad gangen i stedet for mekanisk at stable atomisk tynde lag, " sagde Kim. "Et tæt samarbejde mellem forskere med komplementær ekspertise såsom fremstilling af udstyr, karakterisering og teori på atomare skala gjorde denne forskning mulig."

NDR-effekten blev først observeret, da en spænding blev påført strukturer lavet af et-atom-tykke lag, der bestod af flere forskellige TMD-materialer. Det, der fangede forskernes opmærksomhed, var en skarp top og dal i elektriske målinger, hvor der normalt ville være en regulær opadgående hældning.

Ved at forklare resultaterne, forskerne indså, at de så en 2-D version af en resonans tunneldiode, en kvantemekanisk enhed, der fungerer ved lav effekt. Holdet indså, at de havde bygget verdens tyndeste resonans tunneldiode, og at den fungerede ved stuetemperatur.

"Dette samarbejde repræsenterer en vigtig præstation i realiseringen af ​​nyttige 2-D integrerede kredsløb. Evnen til at observere resonansadfærden ved stuetemperatur peger mod mulighederne for skalerbare enhedsfremstillingsmetoder, der er mere kompatible med industrielle interesser, " sagde Wallace. "Den udfordring, vi nu skal løse, inkluderer at forbedre de dyrkede 2D-materialer yderligere og opnå bedre ydeevne til fremtidige enhedsapplikationer."