Stjernebeklædt fund kan føre til avanceret elektronik

For flere år, et team af forskere ved University of Texas i Dallas har undersøgt forskellige materialer i jagten på dem, hvis elektriske egenskaber kan gøre dem egnede til små, energieffektive transistorer til at drive næste generations elektroniske enheder.

De fandt for nylig et sådant materiale, men det var ikke noget nogen forventede.

I en artikel offentliggjort online 10. marts i tidsskriftet Avancerede materialer , Dr. Moon Kim og hans kolleger beskriver et materiale, der ved opvarmning til omkring 450 grader Celsius, omdannes fra en atomisk tynd, todimensionelle ark til en række endimensionelle nanotråde, hver kun et par atomer brede.

Et billede fanget midt i transformationen ligner et lille USA flag, og med falske farver tilføjet, er uden tvivl verdens mindste billede af Old Glory, sagde Kim.

"Den faseovergang, vi observerede, denne nye struktur, var ikke forudsagt af teori, " sagde Kim, Louis Beecherl Jr. Distinguished Professor i materialevidenskab og teknik ved UT Dallas.

Fordi nanotrådene er halvledere, de kan bruges som koblingsenheder, ligesom silicium bruges i nutidens transistorer til at tænde og slukke for elektrisk strøm i elektroniske enheder.

"Disse nanotråde er omkring 10 gange mindre end de mindste siliciumtråde, og, hvis det bruges i fremtidig teknologi, ville resultere i kraftfulde energieffektive enheder, " sagde Kim. De ledende forfattere af undersøgelsen er Hui Zhu og Qingxiao Wang, kandidatstuderende i materialevidenskab og teknik på Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science.

Bare en fase?

Når visse materialer udsættes for ændringer i ydre forhold, såsom temperatur eller tryk, de kan gennemgå en faseovergang. Et velkendt eksempel er, når flydende vand afkøles til at danne et fast stof (is), eller opvarmet til dannelse af en gas (damp).

For mange materialer, imidlertid, en faseovergang betyder noget lidt andet. Når ekstern temperatur og tryk ændres, disse materialers atomer omarrangeres og omfordeles for at lave et materiale med en anden struktur og sammensætning. Disse ændringer kan påvirke det nye materiales egenskaber, såsom hvordan elektroner bevæger sig igennem det. For forskere, der er interesseret i nye anvendelser af materialer, forståelse af sådanne overgange er altafgørende.

I de fleste tilfælde, en type grafik kaldet et fasediagram hjælper forskere med at forudsige strukturelle og egenskabsændringer i et materiale, når det gennemgår en faseovergang.

Men intet forudsagde, hvad Kims hold observerede, da de udførte eksperimenter på et materiale kaldet molybdænditellurid.

Nanoflag og nanoblomster

Ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop, forskerne startede med atomisk tynde, todimensionelle plader af molybdæn ditellurid, et materiale, der består af et lag molybdænatomer og to lag telluratomer. Materialet tilhører en klasse kaldet transition metal dichalcogenides (TMD'er), som viser løfte i at erstatte silicium i transistorer.

"Vi ønskede at forstå den termiske stabilitet af dette særlige materiale, " sagde Kim. "Vi troede, det var en god kandidat til næste generations nanoelektronik. Af nysgerrighed, vi gik ud for at se, om det ville være stabilt over stuetemperatur."

Da de øgede temperaturen til over 450 grader Celsius, der skete to ting.

"Først, vi så et nyt mønster begynde at dukke op, som var æstetisk behageligt for øjet, " sagde Kim. På tværs af prøvens overflade, de gentagne rækker, eller striber, af molybdæn-ditellurid-lag begyndte at forvandle sig til former, der lignede små sekstakkede stjerner, eller blomster med seks kronblade.

Materialet gik over i hexa-molybdæn hexa-tellurid, en endimensionel trådlignende struktur. Tværsnittet af det nye materiale er en struktur bestående af seks centrale atomer af molybdæn omgivet af seks telluratomer.

Efterhånden som faseovergangen skred frem, en del af prøven var stadig "striber", og en del var blevet "stjerner". Holdet mente, at mønsteret lignede et amerikansk flag. De lavede en falsk farveversion med et blåt felt bag stjernerne og halvdelen af ​​striberne farvede røde, at lave et "nanoflag".

Ikke i lærebøgerne

"Derefter, da vi undersøgte materialet nærmere, vi fandt ud af, at den overgang, vi så fra 'striber' til 'stjerner', ikke var i nogen af ​​fasediagrammerne, " sagde Kim. "Normalt, når du opvarmer bestemte materialer, du forventer at se en anden slags materiale dukke op som forudsagt af et fasediagram. Men i dette tilfælde, der skete noget usædvanligt - det dannede en helt ny fase."

Hver enkelt nanotråd er en halvleder, hvilket betyder, at elektrisk strøm, der bevæger sig gennem ledningen, kan tændes og slukkes, sagde Kim. Når mange af de individuelle nanotråde er grupperet i bulk, opfører de sig mere som et metal, som let leder strøm.

"Vi vil gerne bruge nanotrådene en ad gangen, fordi vi skubber størrelsen af ​​en transistor så lille som muligt, " sagde Kim. "I øjeblikket, den mindste transistorstørrelse er omkring 10 gange større end vores nanotråd. Hver af vores er mindre end 1 nanometer i diameter, som i det væsentlige er en ledning i atomskala.

"Før vi kan tage denne opdagelse i brug og lave en egentlig enhed, vi har mange flere undersøgelser at lave, herunder at bestemme, hvordan man adskiller de individuelle nanotråde, og overvinde tekniske udfordringer for fremstilling og masseproduktion, " sagde Kim. "Men det her er en begyndelse."