Grafeen is naar voren gekomen als een van de meest veelbelovende tweedimensionale kristallen, maar de toekomst van elektronica kan twee andere nanomaterialen omvatten, volgens een nieuwe studie door onderzoekers van de Universiteit van Californië, Riverside en de Universiteit van Georgia.

In onderzoek gepubliceerd op maandag (4 juli) in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , beschreven de onderzoekers de integratie van drie zeer verschillende tweedimensionale (2D) materialen om een ​​eenvoudige, compact, en snelle spanningsgestuurde oscillator (VCO) apparaat. Een VCO is een elektronische oscillator waarvan de oscillatiefrequentie wordt geregeld door een spanningsingang.

Getiteld "Een geïntegreerde tantaalsulfide-boornitride-grafeenoscillator:een apparaat met ladingsdichtheid dat werkt bij kamertemperatuur, " de paper beschrijft de ontwikkeling van het eerste bruikbare apparaat dat het potentieel van ladingsdichtheidsgolven benut om een ​​elektrische stroom door een 2D-materiaal te moduleren. De nieuwe technologie zou een ultralaag vermogen alternatief kunnen worden voor conventionele op silicium gebaseerde apparaten, die in duizenden toepassingen worden gebruikt, van computers tot klokken tot radio's. De dunne, flexibele aard van het apparaat zou het ideaal maken voor gebruik in draagbare technologieën.

grafeen, een enkele laag koolstofatomen die uitzonderlijke elektrische en thermische geleidbaarheid vertoont, is veelbelovend als opvolger van op silicium gebaseerde transistoren. Echter, de toepassing ervan is beperkt door het onvermogen om als halfgeleider te functioneren, wat van cruciaal belang is voor de 'aan-uit'-schakelhandelingen die worden uitgevoerd door elektronische componenten.

Om dit tekort te verhelpen, de onderzoekers wendden zich tot een ander 2D-nanomateriaal, Tantaalsulfide (TaS2). Ze toonden aan dat door spanning geïnduceerde veranderingen in de atomaire structuur van het '1T-prototype' van TaS2 het in staat stelt te functioneren als een elektrische schakelaar bij kamertemperatuur - een vereiste voor praktische toepassingen.

"Er zijn veel ladingsdichtheidsgolfmaterialen die interessante elektrische schakeleigenschappen hebben. de meeste onthullen deze eigenschappen alleen bij zeer lage temperaturen. Het specifieke polytype TaS2 dat we gebruikten, kan abrupte veranderingen in weerstand boven kamertemperatuur hebben. Dat maakte een cruciaal verschil, " zei Alexander Balandin, UC presidentiële voorzitter hoogleraar elektrische en computer engineering in UCR's Bourns College of Engineering, die het onderzoeksteam leidde.

Om de TaS2 te beschermen tegen milieuschade, de onderzoekers bedekten het met een ander 2D-materiaal, hexagonaal boornitraat, oxidatie te voorkomen. Door het met boornitride afgedekte TaS2 te koppelen aan grafeen, het team bouwde een drielaagse VCO die de weg zou kunnen effenen voor post-siliciumelektronica. In het voorgestelde ontwerp is grafeen functioneert als een geïntegreerde afstembare belastingsweerstand, die nauwkeurige spanningsregeling van de stroom en VCO-frequentie mogelijk maakt. De prototype UCR-apparaten werkten op de MHz-frequentie die wordt gebruikt in radio's, en de extreem snelle fysieke processen die de functionaliteit van het apparaat bepalen, zorgen ervoor dat de bedieningsfrequentie helemaal tot THz kan toenemen.

Balandin zei dat het geïntegreerde systeem het eerste voorbeeld is van een functioneel spanningsgestuurd oscillatorapparaat dat 2D-materialen omvat die bij kamertemperatuur werken.

"Het is moeilijk om te concurreren met silicium, die de afgelopen 50 jaar is gebruikt en verbeterd. Echter, we geloven dat ons apparaat een unieke integratie van drie zeer verschillende 2D-materialen laat zien, die gebruik maakt van de intrinsieke eigenschappen van elk van deze materialen. Het apparaat kan mogelijk een energiezuinig alternatief worden voor conventionele siliciumtechnologieën in veel verschillende toepassingen, ' zei Balandin.

De elektronische functie van grafeen die in het voorgestelde 2D-apparaat wordt voorgesteld, overwint het probleem dat gepaard gaat met de afwezigheid van de energiebandkloof, die tot nu toe het gebruik van grafeen als het materiaal van het transistorkanaal verhinderde. De extreem hoge thermische geleidbaarheid van grafeen komt als een extra voordeel in de structuur van het apparaat, door de warmteafvoer te vergemakkelijken. De unieke warmtegeleidingseigenschappen van grafeen werden in 2008 experimenteel ontdekt en theoretisch verklaard door de groep van Balandin bij UCR. De Materials Research Society erkende deze baanbrekende prestatie door Balandin in 2013 de MRS-medaille toe te kennen.

De Balandin-groep demonstreerde ook de eerste geïntegreerde grafeen-warmteverspreiders voor hoogvermogentransistoren en lichtgevende diodes. "Bij die toepassingen grafeen werd uitsluitend gebruikt als warmtegeleidend materiaal. De thermische geleidbaarheid was de belangrijkste eigenschap. In het huidige apparaat we gebruiken zowel elektrische als thermische geleidbaarheid van grafeen, ' voegde Balandin eraan toe.