Terwijl wetenschappers blijven zoeken naar een materiaal dat het mogelijk maakt om meer transistors op een chip te plaatsen, nieuw onderzoek van McGill University en Université de Montréal draagt ​​bij aan het bewijs dat zwarte fosfor een sterke kandidaat zou kunnen worden.

In een onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , de onderzoekers melden dat wanneer elektronen in een fosfortransistor bewegen, ze doen dit alleen in twee dimensies. De bevinding suggereert dat zwarte fosfor ingenieurs zou kunnen helpen een van de grote uitdagingen voor toekomstige elektronica te overwinnen:het ontwerpen van energiezuinige transistors.

"Transistoren werken efficiënter als ze dun zijn, met elektronen die in slechts twee dimensies bewegen, " zegt Thomas Szkopek, een universitair hoofddocent bij McGill's Department of Electrical and Computer Engineering en senior auteur van de nieuwe studie. "Niets wordt dunner dan een enkele laag atomen."

In 2004, natuurkundigen van de Universiteit van Manchester in het VK hebben voor het eerst de opmerkelijke eigenschappen van grafeen geïsoleerd en onderzocht - een één atoom dikke laag koolstof. Sindsdien haasten wetenschappers zich naar een reeks andere tweedimensionale materialen. Een daarvan is zwarte fosfor, een vorm van fosfor die lijkt op grafiet en gemakkelijk kan worden gescheiden in enkele atomaire lagen, bekend als fosforeen.

Fosforen heeft een groeiende belangstelling gewekt omdat het veel van de uitdagingen van het gebruik van grafeen in elektronica overwint. In tegenstelling tot grafeen, die werkt als een metaal, zwarte fosfor is een natuurlijke halfgeleider:hij kan gemakkelijk worden in- en uitgeschakeld.

"Om de bedrijfsspanning van transistors te verlagen, en daardoor de warmte die ze genereren te verminderen, we moeten steeds dichter bij het ontwerpen van de transistor op atomair niveau komen, "Szkopek zegt. "De gereedschapskist van de toekomst voor transistorontwerpers vereist een verscheidenheid aan atomaire gelaagde materialen:een ideale halfgeleider, een ideaal metaal, en een ideaal diëlektricum. Alle drie de componenten moeten worden geoptimaliseerd voor een goed ontworpen transistor. Zwarte fosfor vervult de rol van halfgeleidend materiaal."

Het werk is het resultaat van een multidisciplinaire samenwerking tussen de onderzoeksgroep nano-elektronica van Szkopek, het nanowetenschappelijk laboratorium van McGill Physics Prof. Guillaume Gervais, en de onderzoeksgroep nanostructuren van prof. Richard Martel van de afdeling Chemie van de Université de Montréal.

Om te onderzoeken hoe de elektronen in een fosfortransistor bewegen, de onderzoekers observeerden ze onder invloed van een magnetisch veld in experimenten die werden uitgevoerd in het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, FL, het grootste en krachtigste magneetlaboratorium ter wereld. Dit onderzoek "biedt belangrijke inzichten in de fundamentele fysica die het gedrag van zwarte fosfor dicteert, " zegt Tim Murphy, DC Field Facility Director bij de faciliteit in Florida.

"Wat verrassend is in deze resultaten, is dat de elektronen in een tweedimensionale lading kunnen worden getrokken, ook al nemen ze een volume in dat meerdere atoomlagen dik is, " zegt Szkopek. Die bevinding is belangrijk omdat het de productie van het materiaal mogelijk zou kunnen vergemakkelijken, hoewel op dit moment "niemand weet hoe dit materiaal op grote schaal moet worden vervaardigd."

"Er is een grote opkomende interesse over de hele wereld voor zwarte fosfor, "Szkopek zegt. "We zijn nog ver verwijderd van het zien van atomaire laagtransistors in een commercieel product, maar we zijn nu een stap dichterbij gekomen."