Brug af vinkler til at forbedre fremtiden for elektronik

Nanoteknologi er et begreb, der anvendes på en række områder fra tøj og bilmaling til sportsudstyr og elektronik. I sidste ende refererer det hele til en størrelse, nanometer (nm), og menneskehedens evne til at forstå, kontrollere og manipulere de unikke fænomener, der opstår i denne dimension. For perspektiv, et ark papir er omkring 100, 000 nm tyk.

Hos IBM Research og, i nogle projekter, med støtte fra offentlige midler, forskere undersøger nanoskalaen for at forbedre strømtætheden og energieffektiviteten af ​​elektroniske enheder, inklusive alt fra mobiltelefoner til IoT-sensorer til gigantiske cloud-datacentre.

Et sådant projekt ledes af videnskabsmanden Elad Koren fra IBMs Zürich-laboratorium. I projektet, som er finansieret under Ambizione-programmet inden for Swiss National Science Foundation (SNSF), teamet er fokuseret på at forstå den grundlæggende fysik ved stabling af 2D -materialer, inklusive den i øjeblikket populære grafen.

Selvom der er meget hype omkring grafen, det anses for at være et af de mest lovende materialer til fremtidige halvlederelektronik og kvanteenheder på grund af dets overlegne elektroniske egenskaber. Det udviser også rige fysiske egenskaber afhængigt af hvordan det er stablet oven på en anden 2D-krystal, og her bliver det virkelig interessant og lidt kompliceret.

Når de to stablede lag er lavet af samme materiale, såsom grafen, et særligt sæt periodiske 2D-supergitter vil dukke op i bestemte vinkler. En sådan mismatch kan også inducere et båndgab i tolags grafensystemer, hvilket producerer et af de første skridt mod at bygge transistor-type enheder til næste generation af elektroniske enheder, som er mere kraftfulde, alligevel energieffektiv.

Koren og hans kolleger offentliggjorde deres første resultater i september 2016-udgaven af ​​peer-review-tidsskriftet Natur nanoteknologi . I papiret demonstrerede holdet, hvordan de ved at bruge den skarpe spids af et atomkraftmikroskop præcist kan kontrollere, hvad der ser ud til at ligne en almindelig husnøgle (fig. 1).

Den nøgleformede enhed i nanostørrelse kan drejes som hænder på en lås fra 0 til 360 grader, som kunne bruges som en kontakt til at tænde og slukke for strømmen af ​​en tunnelfelteffekttransistor (TFET), et vigtigt skridt til at reducere energilækage i elektroniske enheder.

"Vi har opnået en hidtil uset nøjagtighed i styringen af ​​rotationskonfigurationen med en vinkelopløsning – bedre end 0,1 grader. Dette gør os i stand til både at udforske stakkens grundlæggende karakter og realisere dens fulde potentiale, sagde Koren.

Evnen til at kontrollere stablingskonfigurationen med høj vinkelnøjagtighed gør det muligt at kontrollere og konstruere mange fysiske egenskaber og realisere nye nye materialer inden for forskellige områder inden for videnskab og teknologi såsom:elektronik, optik, termoelektrik og elektromekanik.

Enheden muliggør også en høj magnetisk flux i en  enkeltkrystalcelle, som producerer den berømte Hofstadters sommerfugl, den teoretiserede opførsel af elektroner under et stærkt magnetfelt og et periodisk potentiale.

Friktionslovene undslipper ikke nano-regimet, og selv i denne lille skala bliver friktion en udfordring for den nøgleformede enhed, og som vi ved, friktion forårsager varme, slider og spreder energi - en uheldig egenskab i denne skala.

Utroligt, rotationsmismatchet i 2D lagdelte systemer undertrykker kraftigt friktionen og energispredningen, en effekt, der er kendt som superlubricitet.

"Der er stort set ingen friktion. Det er simpelthen baseret på at finde den rigtige vinkel, "tilføjer Koren.

Koren håber, at ved at dele sin forskning med andre inden for området vil det udløse noget nyt materiale og design af apparater.