Integreret trio af 2D -nanomaterialer låser grafenelektronikapplikationer op

Graphene er dukket op som en af ​​de mest lovende todimensionale krystaller, men elektronikkens fremtid kan omfatte to andre nanomaterialer, ifølge en ny undersøgelse af forskere ved University of California, Riverside og University of Georgia.

I forskning offentliggjort mandag (4. juli) i tidsskriftet Naturnanoteknologi , forskerne beskrev integrationen af ​​tre meget forskellige todimensionale (2D) materialer for at give et enkelt, kompakt, og hurtig spændingsstyret oscillator (VCO) enhed. En VCO er en elektronisk oscillator, hvis svingningsfrekvens styres af en spændingsindgang.

Med titlen "Et integreret tantalsulfid-boritnitrid-grafenoscillator:En ladetæthed-bølgeenhed, der fungerer ved stuetemperatur, "papiret beskriver udviklingen af ​​den første nyttige enhed, der udnytter potentialet i ladningstæthedsbølger til at modulere en elektrisk strøm gennem et 2D-materiale. Den nye teknologi kan blive et ultralavt strømalternativ til konventionelle siliciumbaserede enheder, som bruges i tusindvis af applikationer fra computere til ure til radioer. Den tynde, Enhedens fleksible karakter ville gøre den ideel til brug i bærbare teknologier.

Graphene, et enkelt lag carbonatomer, der udviser usædvanlige elektriske og termiske ledningsevner, viser løfte som en efterfølger til siliciumbaserede transistorer. Imidlertid, dets anvendelse har været begrænset af dens manglende evne til at fungere som en halvleder, hvilket er afgørende for 'on-off' koblingsoperationer udført af elektroniske komponenter.

For at overvinde denne mangel, forskerne vendte sig til et andet 2D -nanomateriale, Tantalsulfid (TaS2). De viste, at spændingsinducerede ændringer i atomstrukturen i '1T-prototypen' af TaS2 sætter den i stand til at fungere som en elektrisk kontakt ved stuetemperatur-et krav til praktiske anvendelser.

"Der er mange ladningstæthedsbølgematerialer, der har interessante elektriske koblingsegenskaber. Men de fleste af dem afslører kun disse egenskaber ved meget lav temperatur. Den særlige polytype af TaS2, som vi brugte, kan have pludselige ændringer i modstand over stuetemperatur. Det gjorde en afgørende forskel, sagde Alexander Balandin, UC præsidentformand professor i elektrisk og computerteknik i UCR's Bourns College of Engineering, der ledede forskergruppen.

For at beskytte TaS2 mod miljøskader, forskerne belagt det med et andet 2D -materiale, sekskantet bornitrat, for at forhindre oxidation. Ved at parre bornitrid-dækket TaS2 med grafen, holdet konstruerede en trelags VCO, der kunne bane vejen for elektronik efter silicium. I det foreslåede design, grafen fungerer som en integreret afstembar belastningsmodstand, som muliggør præcis spændingskontrol af strøm og VCO -frekvens. Prototypen UCR -enheder, der drives ved MHz -frekvens, der bruges i radioer, og de ekstremt hurtige fysiske processer, der definerer enhedens funktionalitet, tillader driftsfrekvensen at stige helt til THz.

Balandin sagde, at det integrerede system er det første eksempel på en funktionel spændingsstyret oscillatoranordning omfattende 2D-materialer, der fungerer ved stuetemperatur.

"Det er svært at konkurrere med silicium, som har været brugt og forbedret i de sidste 50 år. Imidlertid, vi mener, at vores enhed viser en unik integration af tre meget forskellige 2D -materialer, som udnytter de iboende egenskaber ved hvert af disse materialer. Enheden kan potentielt blive et energibesparende alternativ til konventionelle siliciumteknologier i mange forskellige applikationer, "Sagde Balandin.

Den elektroniske funktion af grafen, der ses i den foreslåede 2D -enhed, overvinder problemet forbundet med fraværet af energibåndsgabet, hvilket hidtil forhindrede grafens anvendelse som transistorkanalmateriale. Den ekstremt høje varmeledningsevne af grafen kommer som en ekstra fordel i enhedens struktur, ved at lette fjernelse af varme. Grafens unikke varmeledningsegenskaber blev eksperimentelt opdaget og teoretisk forklaret i 2008 af Balandins gruppe ved UCR. Materials Research Society anerkendte denne banebrydende præstation ved at tildele Balandin MRS -medaljen i 2013.

Balandin-gruppen demonstrerede også de første integrerede grafen-varmespredere til højeffekttransistorer og lysemitterende dioder. "I disse applikationer, grafen blev udelukkende brugt som varmeledende materiale. Dens varmeledningsevne var hovedegenskaben. I den foreliggende enhed, vi udnytter både elektrisk og termisk ledningsevne af grafen, "Tilføjede Balandin.