Met het oog op de volgende generatie technische snufjes, een team van natuurkundigen van de Universiteit van Texas in Austin heeft voor het eerst een glimp opgevangen van wat er gebeurt in een atomair dun halfgeleiderapparaat. Daarbij, ze ontdekten dat een essentiële functie voor computergebruik mogelijk is in een ruimte die zo klein is dat deze in feite eendimensionaal is.

In een paper gepubliceerd op 18 juli in de Proceedings van de National Academy of Sciences , de onderzoekers beschrijven het zien van de gedetailleerde innerlijke werking van een nieuw type transistor dat tweedimensionaal is.

Transistors fungeren als bouwstenen voor computerchips, het sturen van de elektronen aan en uit schakelaars die nodig zijn voor computerverwerking. Toekomstige technologische innovaties vereisen het vinden van een manier om meer transistors op computerchips te plaatsen. dus experts zijn begonnen met het verkennen van nieuwe halfgeleidende materialen, waaronder een materiaal dat molybdeendisulfide (MoS2) wordt genoemd. In tegenstelling tot de huidige op silicium gebaseerde apparaten, transistors gemaakt van het nieuwe materiaal zorgen voor aan-uit-signalering op een enkel plat vlak.

Keji Lai, een assistent-professor natuurkunde, en een team ontdekte dat met dit nieuwe materiaal, de geleidende signalering gebeurt heel anders dan bij silicium, op een manier die toekomstige energiebesparingen in apparaten zou kunnen bevorderen. Zie siliciumtransistors als gloeilampen:het hele apparaat wordt in één keer in- of uitgeschakeld. Met 2D-transistors, daarentegen, Lai en het team ontdekten dat elektrische stromen meer gefaseerd bewegen, beginnend aan de randen voordat ze in het interieur verschijnen. Lai zegt dat dit suggereert dat dezelfde stroom kan worden verzonden met minder vermogen en in een nog kleinere ruimte, een eendimensionale rand gebruiken in plaats van het tweedimensionale vlak.

"In de natuurkunde randstaten hebben vaak veel interessante fenomenen, en hier, zij zijn de eersten die worden ingeschakeld. In de toekomst, als we dit materiaal zeer zorgvuldig kunnen engineeren, dan kunnen deze randen de volledige stroom dragen, " zegt Lai. "We hebben niet het hele ding nodig, omdat het interieur waardeloos is. Gewoon de randen laten lopen om een ​​stroom te krijgen, zou het vermogensverlies aanzienlijk verminderen."

Onderzoekers zijn al jaren bezig om inzicht te krijgen in wat er in een 2D-transistor gebeurt om zowel het potentieel als de beperkingen van de nieuwe materialen beter te begrijpen. 2D-transistoren klaarmaken voor commerciële apparaten, zoals flinterdunne computers en mobiele telefoons, zal naar verwachting nog enkele jaren duren. Lai zegt dat wetenschappers meer informatie nodig hebben over wat de prestaties van apparaten die van de nieuwe materialen zijn gemaakt, belemmert.

"Deze transistors zijn perfect tweedimensionaal, "zegt Lai. "Dat betekent dat ze niet de gebreken hebben die in een siliciumapparaat voorkomen. Anderzijds, dat betekent niet dat het nieuwe materiaal perfect is."

Lai en zijn team gebruikten een microscoop die hij heeft uitgevonden en die microgolven op het 2D-apparaat richt. Met een tip van slechts 100 nanometer breed, de microgolfmicroscoop stelde de wetenschappers in staat om geleidbaarheidsveranderingen in de transistor te zien. Naast het zien van de beweging van de stroming, de wetenschappers vonden draadachtige defecten in het midden van de transistors. Lai zegt dat dit suggereert dat het nieuwe materiaal schoner moet worden gemaakt om optimaal te kunnen functioneren.

"Als we het materiaal schoon genoeg zouden kunnen maken, de randen zullen nog meer stroom voeren, en het interieur zal niet zoveel gebreken hebben, "zegt Lay.

De andere auteurs van het artikel zijn postdoctoraal onderzoekers Di Wu en Xiao Li; onderzoekswetenschapper Lan Luan, en afgestudeerde studenten Xiaoyu Wu en Zhaodong Chu, en professor Qian Niu in de afdeling Natuurkunde van de UT Austin; en afgestudeerde student Wei Li, voormalig afgestudeerde student Maruthi N. Yogeesh, postdoctoraal onderzoeker Rudresh Ghosh, en universitair hoofddocent Deji Akinwande van de afdeling Electrical and Computer Engineering van de UT Austin.

Eerder dit jaar, zowel Lai als Akinwande wonnen Presidential Early Career Awards voor wetenschappers en ingenieurs, de hoogste onderscheiding van de Amerikaanse regering voor beginnende wetenschappers en ingenieurs.