In recente jaren, topologische isolatoren zijn een van de populairste onderwerpen in de natuurkunde geworden. Deze nieuwe materialen fungeren als zowel isolatoren als geleiders, met hun binnenkant die de stroom van elektrische stroom voorkomt, terwijl hun randen of oppervlakken de beweging van een lading toestaan.

Misschien wel het belangrijkste, de oppervlakken van topologische isolatoren maken het transport van spin-gepolariseerde elektronen mogelijk, terwijl de "verstrooiing" die typisch wordt geassocieerd met energieverbruik wordt voorkomen, waarin elektronen afwijken van hun baan, dissipatie tot gevolg.

Vanwege dergelijke kenmerken, deze materialen hebben een groot potentieel voor gebruik in toekomstige transistors, geheugenapparaten en magnetische sensoren die zeer energiezuinig zijn en minder stroom nodig hebben.

In een onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , onderzoekers van de Henry Samueli School of Engineering and Applied Science van de UCLA en van de materiaalafdeling van de Australische University of Queensland tonen de belofte van oppervlaktegeleidingskanalen in topologische isolator nanoribbons gemaakt van bismuttelluride en tonen aan dat oppervlaktetoestanden in deze nanoribbons "afstembaar" zijn - kunnen worden in- en uitgeschakeld afhankelijk van de positie van het Fermi-niveau.

"Onze bevinding biedt een verscheidenheid aan mogelijkheden bij het bouwen van potentiële nieuwe generatie, nano-elektronische en spintronische apparaten met lage dissipatie, van magnetische detectie tot opslag, " zei Kang L. Wang, de Raytheon hoogleraar elektrotechniek aan UCLA Engineering, wiens team het onderzoek heeft uitgevoerd.

Bismuttelluride staat bekend als een thermo-elektrisch materiaal en er is ook voorspeld dat het een driedimensionale topologische isolator is met robuuste en unieke oppervlaktetoestanden. Recente experimenten met bismuttelluride-bulkmaterialen hebben ook tweedimensionale geleidingskanalen gesuggereerd die afkomstig zijn van de oppervlaktetoestanden. Maar het was een grote uitdaging om de oppervlaktegeleiding te wijzigen, vanwege de dominante bulkbijdrage als gevolg van onzuiverheden en thermische excitaties in dergelijke halfgeleiders met een kleine bandafstand.

De ontwikkeling van topologische isolator nanoribbons heeft geholpen. Met hun grote oppervlakte-tot-volume verhoudingen, deze nanoribbons verbeteren de oppervlaktecondities aanzienlijk en maken oppervlaktemanipulatie door externe middelen mogelijk.

Wang en zijn team gebruikten dunne bismuttelluride nanoribbons als geleidende kanalen in veldeffecttransistorstructuren. Deze zijn afhankelijk van een elektrisch veld om het Fermi-niveau en daarmee de geleidbaarheid van een kanaal te regelen. De onderzoekers konden voor het eerst de mogelijkheid aantonen om oppervlaktetoestanden in topologische isolator-nanostructuren te beheersen.

"We hebben een duidelijke oppervlaktegeleiding aangetoond door de bulkgeleiding gedeeltelijk te verwijderen met behulp van een extern elektrisch veld, " zei Faxian Xiu, een UCLA-medewerker onderzoeksmedewerker en hoofdauteur van de studie. "Door de poortspanning goed af te stemmen, zeer hoge oppervlaktegeleiding werd bereikt, tot 51 procent, die de hoogste waarden in topologische isolatoren vertegenwoordigt."

"Dit onderzoek is erg spannend vanwege de mogelijkheid om nanodevices te bouwen met een nieuw werkingsprincipe, " zei Wang, die ook associate director is van het California NanoSystems Institute (CNSI) aan de UCLA. "Zeer vergelijkbaar met de ontwikkeling van grafeen, de topologische isolatoren kunnen worden gemaakt in hogesnelheidstransistors en ultragevoelige sensoren."

De nieuwe bevindingen werpen licht op de beheersbaarheid van de oppervlaktespintoestanden in topologische isolator-nanoribbons en demonstreren een significante vooruitgang in de richting van elektrische omstandigheden aan het hoge oppervlak voor praktische apparaattoepassingen. De volgende stap voor het team van Wang is het produceren van high-speed apparaten op basis van hun ontdekking.

"Het ideale scenario is om 100 procent oppervlaktegeleiding te bereiken met een volledige isolerende staat in de bulk, " zei Xiu. "Op basis van het huidige werk, we richten ons op hoogwaardige transistors met een stroomverbruik dat veel lager is dan de conventionele complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie (CMOS) die typisch wordt gebruikt in de hedendaagse elektronica."

Studie medewerkers Jin Zou, een professor in materiaalkunde aan de Universiteit van Queensland; Yong Wang, een Queensland International Fellow; en Zou's team bij de afdeling materialen aan de Universiteit van Queensland hebben aanzienlijk bijgedragen aan dit werk. Een deel van het onderzoek werd ook gedaan in het laboratorium van Alexandros Shailos aan de UCLA.