Использование скрученных 2D материалов для революции в электронике

Нанотехнология относится к манипуляции материей на масштабе нескольких нанометров (нм). Для контекста, лист бумаги примерно 100,000 нм толщиной. Осваивая уникальные феномены, возникающие на этом масштабе, ученые могут разрабатывать устройства, которые меньше, быстрее и более энергоэффективны.

В IBM Research, и с поддержкой правительственных партнеров, исследователи зондируют наноскалу для повышения плотности мощности и энергоэффективности по всему спектру электроники — от смартфонов и IoT сенсоров до массивных облачных дата-центров, питающих интернет.

Рисунок 1: нано-размерное ключевое устройство, которое может вращаться 0°–360°, функционируя как переключатель для управления током в туннельном полевом транзисторе (TFET).

Один пионерский الجهد возглавляется д-ром Элад Кореном из лаборатории IBM в Цюрихе. Финансируемый швейцарским национальным научным фондом через программу Ambizione, команда исследует фундаментальную физику стопки двухмерных (2D) материалов, с особым фокусом на графене.

Исключительные электронные свойства графена делают его фаворитом для будущих полупроводниковых и квантовых устройств. Когда два идентичных графеновых слоя стопляются под точными относительными углами, они формируют периодические суперрешетки, которые могут открыть бандгэп — существенный шаг к созданию транзисторов следующего поколения, которые одновременно мощные и энергоэффективные.

В сентябре 2016 Корен и коллеги опубликовали свои первые результаты в рецензируемом журнале Nature Nanotechnology. Используя кончик атомно-силового микроскопа, они достигли суб-градусного контроля над вращательным выравниванием слоев, производя ключевое устройство, показанное на Рисунке 1.

Устройство может вращаться через полные 360°, действуя как ультра-точный переключатель для TFET. Эта способность критична для минимизации утеточных токов и снижения общего энергопотребления электронных схем.

«Мы достигли беспрецедентной точности в контроле вращательной конфигурации с угловым разрешением лучше 0.1°, позволяя как фундаментальные исследования, так и реализацию практических устройств», сказал Корен.

Измеренный ток через скрученную графитовую наноструктуру при смещении 50 мВ при непрерывном вращении рычага. Вставка: импульсное-пространственное представление билинейного графена сцепления при комменсурабельных углах скручивания 21.8° и 38.2°.

Точный контроль над углом стопки позволяет инженерам адаптировать широкий спектр физических свойств — электронных, оптических, термоэлектрических и электромеханических — открывая avenues для инновационных материалов по всей науке и технологии.

Когда единичная кристаллическая ячейка скручивается, она генерирует высокий магнитный поток, дающий рождение бабочке Хофштадтера — теоретическому паттерну, описывающему поведение электронов в сильных магнитных полях, комбинированных с периодическими потенциалами.

Трение остается вызовом даже на наноскале, где оно может генерировать тепло, износ и потерю энергии. Однако вращательный mismatch в 2D слоистых системах драматически подавляет трение, феномен, известный как суперлюбричность.

«Виртуально нет трения — как только вы находите правильный угол, слои скользят гладко», объяснил Корен.

Делясь этими находками с более широким исследовательским сообществом, Корен надеется вдохновить новые материальные и устройственные концепции, которые сформируют будущее электроники.