På spidsen for valleytronics

Forskning i at udnytte todimensionale (2-D) materialer til hverdagens enheder har haft nogle op- og nedture. Imidlertid, det nye felt inden for valleytronics bruger energikummer til at tilbyde fornyet potentiale.

Ifølge Johnson Goh, seniorforsker ved A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering, 2-D og andre meget tynde materialer kan snart bruge valleytronics til at overføre information. Goh hævder, at en kombination af stadig mere overkommelige 2-D-materialeproduktionsmetoder og anvendelse af teknikker som valleytronics hurtigt kunne fungere sammen for at reducere enhedsstørrelser og behov for strømforbrug.

Den grundlæggende idé er at videregive information gennem 2-D og andre meget tynde ledende materialer ved hjælp af energi 'dale' (eller energi ekstrema) i deres lednings- og valensbånd (energibåndene, omkring hvilke elektroner kredser om et atomkerne). Information, siger Goh, kan transmitteres ved at kontrollere en elektronforening med en dal - en manipulation, der kan opnås ved hjælp af elektriske felter, magnetfelter og cirkulært polariseret lys.

For eksempel, i molybdendisulfid, som er et 2-D materiale, tilstedeværelsen af ​​to ækvivalente dale betyder, at information kan lagres på en binær måde baseret på hvilken dal en elektron bor i:en dal kan repræsentere et nul, mens den anden kunne repræsentere en. Disse oplysninger kan derefter bruges til beregning eller hukommelse.

Hurtigere, bedre, stærkere:2-D halvledere og valleytronics

Goh hævder, at en kombination af valleytronics og 2-D eller meget tynde materialer vil muliggøre en lang række funktioner inden for nanoelektroniske og nanofotoniske enheder, der ikke kan opnås med eksisterende siliciumbaseret halvlederteknologi. For eksempel, valleytronics ville gøre det muligt at manipulere elektrontransport i 2-D-materialer ved lavere energier end konventionelle enheder.

Information overføres i de fleste af dagens enheder ved hjælp af en strøm af ladede elektroner. Udover at det ofte kræver flere elektroner at kommunikere, denne metode lider under en "trængsel" af elektroner, og deres trængsel resulterer i spredning og noget tab af elektronenergi som varme. I valleytronics, på den anden side, spredningstab kan undertrykkes, fordi elektroner i energidale er noget beskyttet mod at jage.

Data kan også lagres mere robust i valleytronics -materialer end i konventionelle datalagringssystemer, Siger Goh. "Dalen er en ejendom af hele materialet, og derfor ødelægges dalstaterne kun, hvis materialet ændres væsentligt eller ophører med at eksistere, "forklarer han." Så i stedet for at kode oplysninger på elektriske ladninger, der kan gå tabt ved spredning, kodning af information til dalstater burde være mere varig på grund af den unikke kobling af elektron -spin til dal. "

I øjeblikket, Goh og andre forskere ved IMRE konstruerer en række nye og nyttige 2-D halvledere til denne teknologi ved at justere deres sammensætning til at indstille båndgab og dermed kontrollere deres ledningsegenskaber.

Imidlertid, at oprette et binært informationssystem ved hjælp af et 2-D-materiales dalstater, Det er også vigtigt at differentiere, hvilken dal en afgift er forbundet med ved hjælp af 'dalkontrast' - som er modsatte spins hostet af dale med modsatte indeks. Overgangsmetal-dichalcogenider, såsom molybdendisulfid, har vist sig nyttige for teamet, da disse allerede har to forskellige dale med iboende kontrast, eliminerer behovet for at ombygge disse materialer for at have denne ejendom.

Goh og hans team forsøger også at tilføje til den kendte materialeliste med denne nøgleegenskab. I løbet af de sidste to år har i samarbejde med National University of Singapore, de har sammensat en pakke værktøjer til dimensionering af 2-D materialer til deres dalkontrast.

2-D materialer i stort område klar til markedet

På samme tid, Gohs kolleger tackler en af ​​de største hindringer for kommercialisering af denne teknologi. At finde pålidelige og skalerbare produktionsmetoder til elektronik i massestørrelse kræver teknikker, der kan danne 2-D-materialer med ensartet tykkelse og elektriske egenskaber over områder, der er mindst lige så store som en fire-tommers wafer:standard substratstørrelse, der bruges i elektronikindustrien.

At gøre dette, Goh henvendte sig til IMRE -kollega Dongzhi Chi, der finder måder at fremstille 2-D halvledermaterialer i stort område på ved hjælp af en metode kendt som kemisk dampaflejring. Denne teknik danner materialer ved at udsætte et høj temperatur substrat for gasser, der bærer de ønskede atomer.

Chi og hans team har allerede haft en vigtig succes med at kontrollere koncentrationsspredningen af ​​de kemiske dampe af molybdendisulfid under denne proces. Ved at indføre en tynd nikkeloxidskumbarrierefælde for at sænke de kemiske koncentrationer i dampen, de har forbedret ensartetheden og kvaliteten af ​​aflejringsmaterialet. "Fordelen ved denne tilgang frem for andre er lethed, "siger Chi, "den bruger kemiske pulvere med lav toksicitet og minimal indføring af kemiske arter ud over de kemiske elementer i selve det deponerede materiale, molybdæn og svovl. "

Bevis for konceptudstyr

Goh siger, at hans team søger at demonstrere deres første proof-of-concept-enheder i begyndelsen af ​​2019. Han siger, at disse vil omfatte enheder, der bruger valleytronics til at gøre enkle ting, f.eks. tænde eller slukke en enhed.

Imidlertid, han tilføjer, at hvis dalelektroner sættes i superpositionstilstande, kan de producere en qubit - den grundlæggende enhed for kvanteberegning. Faktisk, Goh ser de største fremtidige gevinster for valleytronics i sine mulige applikationer til "elektronik såsom low-power edge computing og til sidst robust quantum computing."

Mindre enheder betyder mindre afstande for information til rejser, og derfor tilbyder valleytronics og quantum computing fordele i databehandlingshastigheder. Dette er blevet bemærket af mennesker, der forsøger at udnytte atomernes spin til kvanteberegning. Imidlertid, valleytronics kan have en kant på spintronics, da kvantespin er stærkt forbundet med magnetfelter, som kan introducere stabilitetsproblemer, der ikke er så problematiske i valleytronics.

På grund af dette, Goh mener, at fremstilling af kvantecomputere, der bruger dalstater, vil være nøglen til at åbne hele 2-D-materialefeltet for kommercialisering. "Quantum computing vil hjælpe os med at fremvise 2-D-materialers fordele i forhold til klassisk elektronik. Hvis det lykkes, virksomheder kunne være mere villige til at investere i den infrastruktur, der kræves for at udvikle endnu bedre ydeevne 2-D-materialer og gøre dem til virkelig forstyrrende teknologier. "