Двумерные (2D) материалы - тонкие, как одиночный слой атомов - заинтриговали ученых своей гибкостью, эластичностью и уникальными электронными свойствами, впервые обнаруженными в таких материалах, как графен, в 2004 году. Некоторые из них материалы могут быть особенно восприимчивы к изменениям свойств материала при растяжении и вытягивании. Было предсказано, что при приложенном напряжении они претерпевают фазовые переходы, столь же несопоставимые, как сверхпроводимость в один момент в непроводящий в следующий или оптически непрозрачный в один момент в прозрачный в следующий.
Теперь исследователи из Университета Рочестера по-новому объединили 2D-материалы с оксидными материалами, используя платформу устройства масштаба транзистора, чтобы полностью изучить возможности этих изменчивых 2D-материалов для преобразования электроники, оптики, вычислений и множество других технологий.
«Мы открываем новое направление исследований», - говорит Стивен Ву, доцент кафедры электротехники, вычислительной техники и физики. «Существует огромное количество 2D-материалов с разными свойствами, и если их растянуть, они будут делать самые разные вещи».
Платформа, разработанная в лаборатории Ву, сконфигурированная так же, как и традиционные транзисторы, позволяет наносить небольшие чешуйки двумерного материала на ферроэлектрический материал. Напряжение, подаваемое на сегнетоэлектрик, который действует как третья клемма или затвор транзистора, напрягает двумерный материал за счет пьезоэлектрического эффекта, заставляя его растягиваться. Это, в свою очередь, вызывает изменение фазы, которое может полностью изменить поведение материала. Когда напряжение отключено, материал сохраняет свою фазу до тех пор, пока не будет подано напряжение противоположной полярности, в результате чего материал вернется к своей исходной фазе.
Конечная цель двумерной стрейнтроники состоит в том, чтобы взять все вещи, которые вы не могли контролировать раньше, такие как топологические, сверхпроводящие, магнитные и оптические свойства этих материалов, и теперь иметь возможность контролировать их, просто натянув материал на чип», - говорит Ву.
"Если вы сделаете это с топологическими материалами, вы можете повлиять на квантовые компьютеры, или если вы сделаете это со сверхпроводящими материалами, вы можете повлиять на сверхпроводящую электронику."
В статье в журнале Nature Nanotechnology Ву и его студенты описывают использование тонкой пленки двумерного дителлурида молибдена (MoTe2) в платформе устройства. В растянутом и нерастянутом состоянии MoTe2 превращается из полупроводникового материала с низкой проводимостью в высокопроводящий полуметаллический материал и обратно.
Он работает точно так же, как полевой транзистор. Вам просто нужно подать напряжение на этот третий вывод, и MoTe2 немного растянется в одном направлении и станет чем-то проводящим. в другом направлении, и вдруг у вас появляется что-то с низкой проводимостью», - говорит Ву.
Этот процесс работает при комнатной температуре, добавляет он, и, что примечательно, «требует лишь небольшого напряжения - мы растягиваем MoTe2 всего на 0,4 процента, чтобы увидеть эти изменения».
Закон Мура классно предсказывает, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года.
Однако по мере того, как технология приближается к пределам, при которых традиционные транзисторы могут быть уменьшены в размерах, поскольку мы достигаем конца закона Мура, технология, разработанная в лаборатории Ву, может иметь далеко идущие последствия для преодоления этих ограничений. поиск еще более мощных и быстрых вычислений продолжается.
Платформа Ву потенциально может выполнять те же функции, что и транзистор, при гораздо меньшем энергопотреблении, поскольку для сохранения состояния проводимости не требуется питание. Кроме того, он сводит к минимуму утечку электрического тока из-за крутого наклона, при котором устройство меняет проводимость в зависимости от приложенного напряжения на затворе. Обе эти проблемы - высокое энергопотребление и утечка электрического тока - ограничивают производительность традиционных транзисторов в наномасштабе.
"Это первая демонстрация", - добавляет Ву. «Теперь исследователи должны выяснить, как далеко это зашло».
Одним из преимуществ платформы Ву является то, что она сконфигурирована так же, как традиционный транзистор, что облегчает адаптацию к современной электронике. Однако требуется дополнительная работа, прежде чем платформа достигнет этой стадии. В настоящее время устройство может работать только от 70 до 100 раз в лаборатории, прежде чем устройство выйдет из строя. В то время как срок службы других энергонезависимых запоминающих устройств, таких как флэш-память, намного выше, они также работают намного медленнее, чем предельный потенциал устройств на основе напряжения, разрабатываемых в лаборатории Ву.
«Думаю ли я, что это вызов, который можно преодолеть? Абсолютно», - говорит Ву, который будет работать над проблемой с Хесамом Аскари, доцентом кафедры машиностроения в Рочестере, также соавтором исследования. бумага. «Это проблема материаловедения, которую мы можем решить, продвигаясь вперед в понимании того, как работает эта концепция».
Они также изучат, какое напряжение можно приложить к различным двумерным материалам, не вызывая их разрушения. Определение конечного предела концепции поможет исследователям найти другие материалы с фазовым переходом по мере развития технологии.
Ву, защитивший докторскую диссертацию по физике в Калифорнийском университете в Беркли, был докторантом в отделе материаловедения Аргоннской национальной лаборатории, прежде чем он поступил на работу в Рочестерский университет в качестве доцента кафедры электротехники. и вычислительной техники и физического факультета в 2017 году.
Он начал с одного студента бакалавриата в своей лаборатории - Арфана Севакета '19, который провел лето в качестве научного сотрудника Xerox. Она помогла Ву создать временную лабораторию, а затем первой опробовала концепцию устройства и первой продемонстрировала ее осуществимость.