Ultra-flade kredsløb vil have unikke egenskaber

De gamle regler gælder ikke nødvendigvis, når man bygger elektroniske komponenter af todimensionelle materialer, ifølge forskere ved Rice University.

Den teoretiske fysiker Boris Yakobsons rislaboratorium analyserede hybrider, der satte 2D-materialer som grafen og bornitrid side om side for at se, hvad der sker ved grænsen. De fandt ud af, at de elektroniske egenskaber ved sådanne "co-planar" hybrider adskiller sig fra større komponenter.

Deres resultater vises i denne måned i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

At krympe elektronik betyder at krympe deres komponenter. Akademiske laboratorier og industrier studerer, hvordan materialer som grafen kan muliggøre det ultimative inden for tynde enheder ved at bygge alle de nødvendige kredsløb i et atom-tykt lag.

"Vores arbejde er vigtigt, fordi halvlederforbindelser er et stort felt, " sagde Yakobson. "Der er bøger med ikoniske modeller for elektronisk adfærd, som er ekstremt veludviklede og er blevet industriens etablerede søjler.

"Men disse er alle til bulk-til-bulk-grænseflader mellem tredimensionelle metaller, " sagde han. "Nu hvor folk aktivt arbejder på at lave todimensionelle enheder, især med co-planar elektronik, vi indså, at reglerne skal genovervejes. Mange af de etablerede modeller, der bruges i industrien, gælder bare ikke."

Forskerne ledet af Rice-studerende Henry Yu byggede computersimuleringer, der analyserer ladningsoverførsel mellem atomtykke materialer.

"Det var et logisk skridt at teste vores teori om både metaller og halvledere, som har meget forskellige elektroniske egenskaber, " sagde Yu. "Dette gør grafen, som er et metal - eller et halvmetal, for at være præcis - molybdændisulfid og bornitrid, som er halvledere, eller endda deres hybrider ideelle systemer til at studere.

"Faktisk, disse materialer er blevet meget fremstillet og brugt i samfundet i næsten et årti, hvilket gør analysen af ​​dem mere mærkbar i feltet. Desuden, både hybrider af grafen-molybdændisulfid og grafen-bornitrid er blevet syntetiseret med succes for nylig, hvilket betyder, at vores undersøgelse har praktisk betydning og kan testes i laboratoriet nu, " han sagde.

Yakobson sagde, at 3-D materialer har et smalt område til ladningsoverførsel ved det positive og negative (eller p/n) kryds. Men forskerne fandt ud af, at 2-D-grænseflader skabte "en meget ikke-lokaliseret ladningsoverførsel" - og et elektrisk felt sammen med det - som i høj grad øgede krydsets størrelse. Det kunne give dem en fordel i fotovoltaiske applikationer som solceller, sagde forskerne.

Laboratoriet byggede en simulering af en hybrid af grafen og molybdændisulfid og overvejede også grafen-bornitrid og grafen, hvor halvdelen var dopet for at skabe en p/n-forbindelse. Deres beregninger forudsagde, at tilstedeværelsen af ​​et elektrisk felt skulle gøre 2-D Schottky (envejs) enheder som transistorer og dioder mere justerbare baseret på størrelsen af ​​selve enheden.

Hvordan atomerne er på linje med hinanden er også vigtigt, sagde Yakobson. Grafen og bornitrid har begge sekskantede gitter, så de passer perfekt ind. Men molybdændisulfid, endnu et lovende materiale, er ikke ligefrem flad, selvom det stadig betragtes som 2D.

"Hvis de atomare strukturer ikke stemmer overens, du får dinglende bånd eller defekter langs grænsen, " sagde han. "Strukturen har konsekvenser for elektronisk adfærd, især til det, der kaldes Fermi level pinning."

Fastgørelse kan forringe den elektriske ydeevne ved at skabe en energibarriere ved grænsefladen, Yakobson forklarede. "Men din Schottky-barriere (hvor strømmen kun bevæger sig i én retning) ændrer sig ikke som forventet. Dette er et velkendt fænomen for halvledere; det er bare det i to dimensioner, det er anderledes, og i dette tilfælde kan foretrække 2-D frem for 3-D-systemer."

Yakobson sagde, at principperne i det nye papir vil gælde for mønstrede hybrider af to eller flere 2-D patches. "Du kan lave noget særligt, men de grundlæggende effekter er altid ved grænsefladerne. Hvis du vil have mange transistorer i samme plan, det er fint, men du skal stadig overveje effekter ved krydsene.

"Der er ingen grund til, at vi ikke kan bygge 2-D ensrettere, transistorer eller hukommelseselementer, " sagde han. "De vil være de samme, som vi bruger rutinemæssigt i enheder nu. Men medmindre vi udvikler en ordentlig grundlæggende viden om fysikken, de kan undlade at gøre, hvad vi designer eller planlægger."