Forskere strækker 2-D-materialers evne til at ændre teknologi

Todimensionelle (2-D) materialer - så tynde som et enkelt lag af atomer - har fascineret videnskabsmænd med deres fleksibilitet, elasticitet, og unikke elektroniske egenskaber, som først opdaget i materialer som grafen i 2004. Nogle af disse materialer kan være særligt modtagelige for ændringer i deres materialeegenskaber, når de strækkes og trækkes. Under påført belastning, de er blevet forudsagt at gennemgå faseovergange så uensartede som superledende i det ene øjeblik til ikke-ledende det næste, eller optisk uigennemsigtig i det ene øjeblik til gennemsigtig i det næste.

Nu, University of Rochester forskere har kombineret 2-D materialer med oxid materialer på en ny måde, ved hjælp af en enhedsplatform i transistorskala, for fuldt ud at udforske mulighederne for disse foranderlige 2D-materialer til at transformere elektronik, optik, computer og en lang række andre teknologier.

"Vi åbner op for en ny studieretning, " siger Stephen Wu, adjunkt i elektro- og computerteknik og fysik. "Der er et stort antal 2D-materialer med forskellige egenskaber - og hvis du strækker dem, de vil gøre alle mulige ting."

Platformen udviklet i Wus laboratorium, konfigureret meget som traditionelle transistorer, tillader en lille flage af et 2-D-materiale at blive aflejret på et ferroelektrisk materiale. Spænding påført det ferroelektriske element - som fungerer som en transistors tredje terminal, eller gate -spænder 2D-materialet ved den piezoelektriske effekt, får det til at strække sig. At, på tur, udløser en faseændring, der fuldstændig kan ændre materialets måde at opføre sig på. Når spændingen slukkes, bevarer materialet sin fase, indtil en modsat polaritetsspænding påføres, hvilket får materialet til at vende tilbage til sin oprindelige fase.

"Det ultimative mål med todimensionel straintronics er at tage alle de ting, som du ikke kunne kontrollere før, ligesom den topologiske, superledende, magnetiske, og disse materialers optiske egenskaber, og nu være i stand til at kontrollere dem, bare ved at strække materialet på en chip, " siger Wu.

"Hvis du gør dette med topologiske materialer, kan du påvirke kvantecomputere, eller hvis du gør det med superledende materialer, kan du påvirke superledende elektronik."

I et papir i Natur nanoteknologi , Wu og hans elever beskriver brugen af ​​en tynd film af todimensionelt molybdænditellurid (MoTe2) i enhedsplatformen. Når strakt og ustrakt, MoTe2 skifter fra et halvledermateriale med lav ledningsevne til et stærkt ledende semimetallisk materiale og tilbage igen.

"Den fungerer ligesom en felteffekttransistor. Du skal bare sætte en spænding på den tredje terminal, og MoTe2 vil strække sig lidt i én retning og blive noget, der leder. Så strækker du det tilbage i en anden retning, og lige pludselig har du noget med lav ledningsevne, " siger Wu.

Processen fungerer ved stuetemperatur, tilføjer han, og, bemærkelsesværdigt, "kræver kun en lille mængde belastning - vi strækker MoTe2 med kun 0,4 procent for at se disse ændringer."

Moores lov forudsiger berømt, at antallet af transistorer i et tæt integreret kredsløb fordobles cirka hvert andet år.

Imidlertid, efterhånden som teknologien nærmer sig grænserne for, hvor traditionelle transistorer kan skaleres ned i størrelse – efterhånden som vi når slutningen af ​​Moores lov – kan teknologien udviklet i Wus laboratorium have vidtrækkende implikationer i at bevæge sig forbi disse begrænsninger som søgen efter stadig mere kraftfuld, hurtigere databehandling fortsætter.

Wus platform har potentialet til at udføre de samme funktioner som en transistor med langt mindre strømforbrug, da strøm ikke er nødvendig for at bevare konduktivitetstilstanden. I øvrigt, det minimerer lækage af elektrisk strøm på grund af den stejle hældning, hvor enheden ændrer ledningsevne med påført gate-spænding. Begge disse problemer - højt strømforbrug og lækage af elektrisk strøm - har begrænset ydeevnen af ​​traditionelle transistorer på nanoskala.

"Dette er den første demonstration, " tilføjer Wu. "Nu er det op til forskerne at finde ud af, hvor langt det rækker."

En fordel ved Wus platform er, at den er konfigureret meget som en traditionel transistor, gør det lettere at tilpasse sig den nuværende elektronik. Imidlertid, der skal mere arbejde til, før platformen når det stadie. I øjeblikket kan enheden kun fungere 70 til 100 gange i laboratoriet før enhedens fejl. Mens udholdenheden af ​​andre ikke-flygtige minder, som flash, er meget højere, fungerer de også meget langsommere end det ultimative potentiale for de stammebaserede enheder, der udvikles i Wus laboratorium.

"Tror jeg, det er en udfordring, der kan overvindes? Absolut, " siger Wu, som skal arbejde på problemet med Hesam Askari, en assisterende professor i maskinteknik ved Rochester, også medforfatter på papiret. "Det er et materialeteknisk problem, som vi kan løse, efterhånden som vi bevæger os fremad i vores forståelse af, hvordan dette koncept fungerer."

De vil også undersøge, hvor meget belastning der kan påføres forskellige todimensionelle materialer uden at få dem til at gå i stykker. At bestemme den ultimative grænse for konceptet vil hjælpe med at guide forskere til andre faseændringsmaterialer, efterhånden som teknologien bevæger sig fremad

Wu, der afsluttede sin ph.d. i fysik ved University of California, Berkeley, var postdoc i Materials Science Division ved Argonne National Laboratory, før han kom til University of Rochester som assisterende professor i Department of Electrical and Computer Engineering og Department of Physics i 2017.

Han startede med en enkelt bachelorstuderende i sit laboratorium - Arfan Sewaket '19, som tilbragte sommeren som Xerox-forsker. Hun hjalp Wu med at oprette et midlertidigt laboratorium, derefter var den første til at prøve enhedskonceptet og den første til at demonstrere dets gennemførlighed.

Siden da, fire kandidatstuderende i Wus laboratorium — hovedforfatter Wenhui Hou, Ahmad Azizimanesh, Tara Pen?a, og Carla Watson "har gjort så meget arbejde" for at dokumentere enhedens egenskaber og forfine den, at skabe omkring 200 forskellige versioner til dette punkt, siger Wu. Alle er opført med Sewaket som medforfattere, sammen med Askari og Ming Liu fra Xi'an Jiaotong University i Kina.