To dimensioner er bedre end tre

I de sidste tres år, elektronikindustrien og den gennemsnitlige forbruger har nydt godt af den kontinuerlige miniaturisering, øget lagerkapacitet og reduceret strømforbrug af elektroniske enheder. Imidlertid, denne æra af skalering, der har været til gavn for menneskeheden, er hurtigt ved at være slut. For at fortsætte med at skrumpe elektronikens størrelse og strømforbrug, der er brug for nye materialer og nye tekniske tilgange.

Susan Fullerton, assisterende professor i kemi- og petroleumsteknik ved University of Pittsburghs Swanson School of Engineering, tackler den udfordring ved at udvikle næste generations elektronik baseret på alle todimensionelle materialer. Disse "alle 2-D" materialer ligner et ark papir - hvis papiret kun var et enkelt molekyle tykt. Hendes forskning i disse supertynde materialer blev anerkendt af National Science Foundation med en $540, 000 CAREER -pris, som understøtter fakulteter i den tidlige karriere, der har potentialet til at tjene som akademiske rollemodeller inden for forskning og uddannelse og til at lede fremskridt i deres afdelings eller organisations mission.

"Fremkomsten af ​​nye computerparadigmer skubber grænsen for, hvad traditionelle halvlederenheder kan levere, "Dr. Fullerton sagde." For eksempel, maskinlæring vil kræve nanosekundresponshastigheder, sub-volt drift, 1, 000 forskellige modstandsstater, og andre aspekter, som ingen eksisterende enhedsteknologi kan levere.

"Vi har længe vidst, at ioner-som dem i lithium-ion-batterier-er meget gode til at kontrollere, hvordan ladning bevæger sig i disse ultratynde halvledere, " bemærkede hun. "I dette projekt, vi genskaber ioners rolle i højtydende elektronik. Ved at lægge på hinanden følgende lag af molekylestørrelse oven på hinanden, vi sigter mod at øge lagerkapaciteten, reducere strømforbruget, og i høj grad accelerere behandlingshastigheden."1

For at bygge denne alle 2-D-enhed, Fullerton og hendes gruppe opfandt en ny type ionholdigt materiale, eller elektrolyt, som kun er et enkelt molekyle tykt. Denne "enlagselektrolyt" vil i sidste ende introducere nye funktioner, der kan bruges af det elektroniske materialefællesskab til at udforske de grundlæggende egenskaber af nye halvledermaterialer og til at udvikle elektronik med helt nye enhedskarakteristika.

Ifølge Dr. Fullerton, der er flere vigtige applikationsområder, hvor de materialer og tilgange, der er udviklet i denne KARRIERE-forskning, kan have en indflydelse:informationslagring, hjerne-inspireret computer, og sikkerhed, i særdeleshed.

Ud over at udvikle monolagselektrolytterne, NSF-prisen skal støtte en ph.d. studerende og postdoktor, samt et opsøgende program for at inspirere til nysgerrighed og engagement hos K-12 og underrepræsenterede studerende i materialer til næste generations elektronik. Specifikt, Dr. Fullerton har udviklet en aktivitet, hvor eleverne kan se polymerelektrolytter, der er brugt i denne undersøgelse, krystallisere i realtid ved hjælp af et billigt kamera, der er knyttet til en smartphone eller iPad. CAREER-prisen vil give Dr. Fullerton mulighed for at give dette mikroskop til klasseværelserne, så lærerne kan fortsætte med at udforske med deres elever.

"Når eleverne får det bærbare mikroskop i hænderne - bliver de virkelig kreative, " sagde hun. "Efter de har set, hvad der sker med polymeren, de går på opdagelse. De ser på huden på deres arm, tyggegummiet ud af deres mund, eller detaljerne om stoffet på deres tøj. Det er fantastisk at se dette relativt billige værktøj vække nysgerrighed i de materialer, der er rundt om dem, og det er hovedmålet."

Dr. Fullerton bemærkede, at hendes forskning tager en virkelig ny tilgang til ionudnyttelse, som traditionelt er blevet undgået af halvledersamfundet.

"Ioner ignoreres ofte, fordi hvis du ikke kan kontrollere deres placering, de kan ødelægge en enhed. Så ideen om at bruge ioner ikke bare som et redskab til at udforske grundlæggende egenskaber, men som en integreret enhedskomponent er ekstremt spændende og risikabelt, "forklarede Dr. Fullerton." Hvis den blev vedtaget, ioner kombineret med 2D-materialer kunne repræsentere et paradigmeskifte inden for højtydende databehandling, fordi vi har brug for helt nye materialer med spændende ny fysik og egenskaber, der ikke længere er begrænset af størrelse."