Использование углов для улучшения будущего электроники

Нанотехнология - это термин, который применяется в самых разных областях, от одежды и автомобильных красок до спортивного оборудования и электроники. В конце концов, все это относится к размеру, нанометру (нм) и способности человечества понимать, контролировать и манипулировать уникальными явлениями, происходящими в этом измерении. Для наглядности лист бумаги имеет толщину около 100 000 нм. (щелкните, чтобы увидеть интерактивную хронологию нанотехнологий IBM)

В IBM Research и в некоторых проектах при поддержке государственного финансирования ученые изучают наномасштаб для повышения плотности мощности и энергоэффективности электронных устройств, включая все, от мобильных телефонов до датчиков Интернета вещей и гигантских облачных центров обработки данных.

Рис. 1 :Устройство наноразмерного размера в форме ключа можно вращать, как руки на замке, от 0 до 360 градусов, которое можно использовать в качестве переключателя для включения и выключения тока туннельного полевого транзистора.

Одним из таких проектов руководит ученый Элад Корен из лаборатории IBM в Цюрихе. В проекте, который финансируется в рамках программы Ambizione Швейцарского национального научного фонда (SNSF), команда сосредоточена на понимании основ физики укладки 2D-материалов, включая популярный в настоящее время графен.

Хотя вокруг графена много шумихи, он считается одним из самых многообещающих материалов для будущих полупроводниковых электронных и квантовых устройств из-за его превосходных электронных свойств. Он также демонстрирует богатые физические свойства в зависимости от того, как он уложен поверх другого 2D-кристалла, и именно здесь это становится действительно интересным и немного сложным.

Когда два уложенных друг на друга слоя сделаны из одного и того же материала, такого как графен, под определенными углами появится специальный набор периодических двумерных сверхрешеток. Такое несоответствие может также вызвать запрещенную зону в двухслойных графеновых системах, что является одним из первых шагов на пути к созданию устройств транзисторного типа для электронных устройств следующего поколения, которые будут более мощными, но при этом энергоэффективными.

Корен и его коллеги опубликовали свои первые результаты в сентябрьском выпуске рецензируемого журнала Nature Nanotechnology за сентябрь 2016 г. . В документе группа продемонстрировала, как с помощью острого наконечника атомно-силового микроскопа они могут точно контролировать то, что выглядит как обычный ключ от дома (рис. 1).

Устройство наноразмерной формы в форме ключа можно вращать, как руки на замке, от 0 до 360 градусов, что может использоваться в качестве переключателя для включения и выключения тока туннельного полевого транзистора (TFET), что является важным шагом в уменьшение утечки энергии в электронных устройствах.

«Мы достигли беспрецедентной точности в управлении поворотной конфигурацией с угловым разрешением - лучше 0,1 градуса. Это позволяет нам изучить фундаментальную природу стека и полностью реализовать его потенциал », - сказал Корен.

Измеренный ток протекает через скрученную графитовую наноструктуру при потенциале смещения V =50 мВ при непрерывном вращении плеча рычага. На вставке:изображение в импульсном пространстве взаимодействия двухслойного графена при соизмеримых углах закручивания θ =21,8 ° и 38,2 °.

Возможность управления конфигурацией штабелирования с высокой угловой точностью позволяет контролировать и проектировать многие физические свойства и реализовывать новые новые материалы в различных областях науки и технологий, таких как электроника, оптика, термоэлектрика и электромеханика.

Устройство также обеспечивает высокий магнитный поток внутри монокристаллической ячейки, которая создает знаменитую «бабочку» Хофштадтера, теоретическое поведение электронов в сильном магнитном поле и периодическом потенциале.

Законы трения не выходят за рамки нанорежима, и даже в этом мелком масштабе трение становится проблемой для устройства в форме ключа, и, как мы знаем, трение вызывает нагрев, износ и рассеивание энергии - досадное свойство в этом масштабе.

Невероятно, но несовпадение углов вращения в двухмерных слоистых системах сильно подавляет трение и рассеяние энергии - эффект, известный как сверхсмазка.

«Трения практически нет. Просто нужно найти правильный угол », - добавляет Корен.

Корен надеется, что, поделившись своим исследованием с другими специалистами в этой области, он поможет создать новые материалы и устройства.