Snellere elektronische apparaatarchitecturen komen eraan met de onthulling van 's werelds eerste volledig tweedimensionale veldeffecttransistor (FET) door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). In tegenstelling tot conventionele FET's gemaakt van silicium, deze 2D FET's hebben geen prestatieverlies onder hoge spanningen en bieden een hoge elektronenmobiliteit, zelfs wanneer geschaald naar een monolaag in dikte.

Ali Javey, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een UC Berkeley hoogleraar elektrotechniek en informatica, leidde dit onderzoek waarin 2D heterostructuren werden vervaardigd uit lagen van een overgangsmetaal dichalcogenide, hexagonaal boornitride en grafeen gestapeld via van der Waals-interacties.

"Ons werk vormt een belangrijke opstap naar de realisatie van een nieuwe klasse elektronische apparaten waarin interfaces op basis van van der Waals-interacties in plaats van covalente binding een ongekende mate van controle bieden in materiaaltechnologie en apparaatverkenning, "zegt Javey. "De resultaten tonen de belofte aan van het gebruik van een materiaalsysteem met alle lagen voor toekomstige elektronische toepassingen."

Javey is de corresponderende auteur van een paper waarin dit onderzoek wordt beschreven in: ACS Nano getiteld "Field-Effect Transistors gebouwd van alle tweedimensionale materiaalcomponenten". Co-auteurs zijn Tania Roy, Mahmut Tosun, Jeong Seuk Kang, Angada Sachid, Sujay Desai, Mark Hettick en Chenming Hu.

FET's, zogenaamd omdat een elektrisch signaal dat door één elektrode wordt gestuurd, een elektrische stroom door het apparaat veroorzaakt, zijn een van de pijlers van de elektronica-industrie, alomtegenwoordig voor computers, telefoons, tabletten, pads en vrijwel elk ander veelgebruikt elektronisch apparaat. Alle FET's bestaan ​​uit gate, bron- en afvoerelektroden verbonden door een kanaal waardoor een ladingsdrager - ofwel elektronen ofwel gaten - stromen. Mismatches tussen de kristalstructuur en atomaire roosters van deze afzonderlijke componenten resulteren in ruwe oppervlakken - vaak met bungelende chemische bindingen - die de mobiliteit van de ladingsdrager verslechteren, vooral bij hoge elektrische velden.

"Bij het construeren van onze 2D FET's, zodat elk onderdeel is gemaakt van gelaagde materialen met Van der Waals-interfaces, we bieden een unieke apparaatstructuur waarin de dikte van elk onderdeel goed gedefinieerd is zonder enige oppervlakteruwheid, zelfs niet op atomair niveau, "zegt Javey. "De van der Waals-binding van de interfaces en het gebruik van een meerstaps overdrachtsproces vormen een platform voor het maken van complexe apparaten op basis van kristallijne lagen zonder de beperkingen van roosterparameters die vaak de groei en prestaties van conventionele heterojunctie beperken materialen."

Javey en zijn team hebben hun 2D FET's gefabriceerd met behulp van het overgangsmetaal dichalcogenide molybdeendisulfide als het elektronendragende kanaal, hexagonaal boornitride als poortisolator, en grafeen als bron, afvoer- en poortelektroden. Al deze samenstellende materialen zijn eenkristallen die bij elkaar worden gehouden door van der Waals-binding.

Voor de 2D FET's die in deze studie zijn geproduceerd, mechanische exfoliatie werd gebruikt om de gelaagde componenten te creëren. In de toekomst, Javey en zijn team gaan onderzoeken hoe deze heterogene lagen direct op een substraat kunnen worden gekweekt. Ze zullen ook proberen de dikte van individuele componenten te verkleinen tot een monolaag en de lengtes van de kanalen tot dimensies op moleculaire schaal.