Elektronisk glat 3D-grafen:En lys fremtid for trinatriumbismuth

Forskere har fundet ud af, at det topologiske materiale trinatriumbismuth (Na ₃ Bi) kan fremstilles til at være lige så 'elektronisk glat' som det grafenbaserede alternativ af højeste kvalitet, samtidig med at grafens høje elektronmobilitet bevares.

Na ₃ Bi er et Topologisk Dirac Semimetal (TDS), betragtes som en 3D-ækvivalent af grafen, idet den viser den samme ekstraordinært høje elektronmobilitet.

I grafen, som i en TDS, elektroner bevæger sig med konstant hastighed, uafhængig af deres energi.

Denne høje elektronmobilitet er yderst ønskværdig i materialer, der er undersøgt til hurtigskiftende elektronik. Strømmen af ​​elektroner i grafen kan være, teoretisk set, 100 gange så hurtigt som i silicium.

Men i praksis er der begrænsninger for grafens bemærkelsesværdige elektronmobilitet, drevet af materialets todimensionelle natur.

Selvom grafen i sig selv kan være ekstremt rent, det er alt for spinkelt til at bruge som et selvstændigt materiale, og skal bindes med et andet materiale. Og fordi grafen er atommæssigt tyndt, urenheder i det substrat er i stand til at forårsage elektronisk uorden i grafenet.

Sådanne mikroskopiske inhomogeniteter, kendt som 'ladepytter', begrænse afgiftsselskabernes mobilitet.

I praksis, dette betyder, at grafen-baserede enheder omhyggeligt skal konstrueres med et grafenark lagt på et substratmateriale, der minimerer en sådan elektronisk forstyrrelse. Hexagonalt bornitrid (h-BN) bruges almindeligvis til dette formål.

Men nu, forskere ved Australiens FLEET-forskningscenter har fundet ud af, at trinatriumbismuth (Na ₃ Bi) dyrket i deres laboratorier på Monash University er lige så elektronisk glatte som grafen/h-BN af højeste kvalitet.

Det er en betydelig præstation, siger ledende forsker Dr. Mark Edmonds. "Dette er første gang et 3D Dirac-materiale er blevet målt på en sådan måde, " siger Dr. Edmonds. "Og vi er glade for at have fundet en så høj grad af elektronisk glathed i dette materiale."

Opdagelsen vil være afgørende for fremme af studiet af dette nye topologiske materiale, som kunne have brede anvendelsesmuligheder inden for elektronik. "Det er umuligt at vide, hvor mange forskningsfelter dette kunne åbne, " siger Dr. Edmonds. "Det samme fund i grafen/h-BN udløste betydelige supplerende undersøgelser i 2011."

Med elektronisk glathed af Na3Bi nu demonstreret, en række andre forskningsmuligheder åbner sig. Der har været mange undersøgelser af den relativistiske (høj mobilitet) strøm af elektroner i grafen, siden den blev opdaget i 2004. Med denne seneste undersøgelse, lignende undersøgelser af Na3Bi kan forventes.

Na ₃ Bi tilbyder en række interessante fordele i forhold til grafen.

Ud over at undgå de vanskelige konstruktionsmetoder involveret i tolags grafen/h-BN-enheder, Na ₃ Bi kan dyrkes i millimeterskala eller større. I øjeblikket, graphene-h-BN er begrænset til kun nogle få mikrometer.

En anden væsentlig fordel er potentialet for at bruge Na ₃ Bi som den ledende kanal i en ny generation af transistorer - en bygget på videnskaben om topologiske isolatorer. Undersøgelsen blev offentliggjort i Videnskabens fremskridt i december 2017.

Næste trin &topologiske transistorer

"Opdagelsen af ​​elektronisk glatte, tynde film af TDS er et vigtigt skridt mod omskiftelige topologiske transistorer, " siger FLEET-direktør Prof Michael Fuhrer.

"Graphene er en fantastisk dirigent, men det kan ikke 'slukkes', eller kontrolleret, " siger professor Fuhrer. "Topologiske materialer, såsom Na ₃ Bi, kan skiftes fra konventionel isolator til topologisk isolator ved påføring af spænding eller magnetfelt."

Topologiske isolatorer er nye materialer, der opfører sig som elektriske isolatorer i deres indre, men kan føre en strøm langs deres kanter. I modsætning til en konventionel elektrisk vej, sådanne topologiske kantbaner kan føre elektrisk strøm med næsten nul spredning af energi, hvilket betyder, at topologiske transistorer kan skifte uden at forbrænde energi.

Topologiske materialer blev anerkendt i sidste års Nobelpris i fysik.

Topologiske transistorer ville 'skifte', ligesom en traditionel transistor. Anvendelsen af ​​et gatepotentiale ville skifte kantbanerne i en Na ₃ Bi-kanal mellem at være en topologisk isolator ('on') og en konventionel isolator ('off').

Det større billede:energiforbrug i beregninger

Den overordnede udfordring er den voksende mængde energi, der bruges i beregnings- og informationsteknologi (IT).

Hver gang en transistor skifter, en lille mængde energi forbrændes, og med billioner af transistorer, der skifter milliarder af gange i sekundet, denne energi lægger op. Allerede, den energi, der forbrændes i beregninger, tegner sig for 5 procent af det globale elforbrug, og det fordobles hvert årti.

I mange år, energibehovet for et eksponentielt voksende antal beregninger blev holdt i skak af stadig mere effektive, og stadigt mere kompakte computerchips - en effekt relateret til Moores lov. Men efterhånden som fundamentale fysikgrænser nærmes, Moores lov slutter, og der er begrænsede fremtidige effektivitetsgevinster at finde.

"For at beregningen skal fortsætte med at vokse, at følge med skiftende krav, vi har brug for mere effektiv elektronik, " siger professor Michael Fuhrer. "Vi har brug for en ny type transistor, der forbrænder mindre energi, når den skifter."

"Denne opdagelse kunne være et skridt i retning af topologiske transistorer, der transformerer computerverdenen."

Undersøgelsen er publiceret i Videnskabens fremskridt .