Новости

Двумерные (2D) материалы - тонкие, в один слой атомов, - заинтриговали ученых своей гибкостью, упругостью и уникальными электронными свойствами . Теперь исследователи по-новому сочетают 2D-материалы с оксидными материалами, чтобы полностью изучить возможности 2D-материалов для множества технологий.

credit: pixabay.com

Двумерные (2D) материалы - тонкие, в один слой атомов, - заинтриговали ученых своей гибкостью, упругостью и уникальными электронными свойствами, что впервые было обнаружено в графене в 2004 году. Некоторые из этих материалов могут очень сильно менять свои свойства при воздействии на них, поскольку они сильно растягиваются. В условиях приложенного напряжения было предсказано, что они будут подвергаться фазовым переходам, столь же различным, как сверхпроводящий в один момент к непроводящему в следующий, или оптически непрозрачным в один момент и прозрачным в следующий.

Теперь исследователи из Университета Рочестера по-новому сочетают 2D-материалы с оксидными материалами, используя устройства на уровне транзисторов, чтобы полностью изучить возможности этих изменяющихся 2D-материалов для электроники, оптики, вычислительной техники и множества других технологий.

«Мы открываем новое направление», - говорит Стивен Ву, доцент кафедры электротехники, вычислительной техники и физики. «Существует огромное количество 2D-материалов с различными свойствами - и если вы растянете их, они будут делать все что угодно».

Платформа, разработанная в лаборатории Ву, настроенная так же, как традиционные транзисторы, позволяет наносить небольшую пластинку двумерного материала на сегнетоэлектрический материал. Напряжение, приложенное к сегнетоэлектрику - который действует как третья клемма транзистора или затвор - напрягает 2D-материал пьезоэлектрическим эффектом, 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 приложено напряжение противоположной полярности, в результате чего материал вернется к своей первоначальной фазе.

«Конечная цель двумерной стрэйнтроники (англ. straintronics) - взять все вещи, которые вы не могли контролировать раньше, такие как топологические, сверхпроводящие, магнитные и оптические свойства этих материалов, и теперь иметь возможность управлять ими, просто растягивая материал на чипе ", говорит Ву.

«Если вы делаете это с топологическими материалами, вы можете воздействовать на квантовые компьютеры, или если вы делаете это с помощью сверхпроводящих материалов, вы можете воздействовать на сверхпроводящую электронику».

В статье «Nature Nanotechnology» Ву и его ученики описывают использование тонкой пленки двумерного дителлурида молибдена (MoTe2) в платформе устройства. При растяжении и растяжении MoTe2 превращается из полупроводникового материала с низкой проводимостью в полуметаллический материал с высокой проводимостью и обратно.

«Он работает 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. Затем вы растягиваете его обратно в другом направлении, и все внезапно у вас есть что-то с низкой проводимостью », - говорит Ву.

Процесс работает при комнатной температуре, добавляет он, и, что примечательно, «требуется лишь небольшая нагрузка - мы растягиваем MoTe2 всего на 0,4 процента, чтобы видеть эти изменения».

Закон Мура однозначно предсказывает, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года.

Однако, поскольку технология приближается к пределам, в которых традиционные транзисторы могут быть уменьшены в размере - когда мы достигаем конца закона Мура - технология, разработанная в лаборатории Ву, может иметь далеко идущие последствия для преодоления этих ограничений в поисках все более мощные и быстрые вычисления продолжаются.

Платформа Ву обладает потенциалом для выполнения тех же функций, что и транзистор, с гораздо меньшим энергопотреблением, поскольку для сохранения состояния проводимости мощность не требуется. Кроме того, это минимизирует утечку электрического тока из-за наклона характеристики, при котором устройство изменяет проводимость с приложенным напряжением затвора. Обе эти проблемы - высокое энергопотребление и утечка электрического тока - ограничивают производительность традиционных транзисторов на наноуровне.

«Это первая демонстрация», - добавляет Ву. «Теперь дело за исследователями, чтобы выяснить, как далеко это заходит».

Одним из преимуществ платформы Ву является то, что она настроена так же, как традиционный транзистор, что упрощает адаптацию к современной электронике. Однако прежде чем платформа достигнет этой стадии, требуются еще исследования. В настоящее время устройство может работать только от 70 до 100 раз в лаборатории до отказа устройства.

«Думаю ли я, что это проблема, которую можно преодолеть? Абсолютно точно», - говорит Ву, который будет работать над проблемой с Хесамом Аскари, доцентом машиностроения в Рочестере, также соавтором статьи. «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 предельного предела концепции поможет научным работникам перейти к другим материалам с фазовым переходом по мере продвижения технологии.

Источник: Wenhui Hou, Ahmad Azizimanesh, Arfan Sewaket, Tara Peña, Carla Watson, Ming Liu, Hesam Askari, Stephen M. Wu. Strain-based room-temperature non-volatile MoTe2 ferroelectric phase change transistor. Nature Nanotechnology, 2019; DOI: 10.1038/s41565-019-0466-2