Nanotechnologie is een term die van toepassing is op een groot aantal gebieden, van kleding en autolakken tot sportuitrusting en elektronica. Uiteindelijk verwijst het allemaal naar een maat, de nanometer (nm), en het vermogen van de mensheid om te begrijpen, controle en manipuleer de unieke fenomenen die zich in deze dimensie voordoen. Voor perspectief, een vel papier is ongeveer 100, 000 nm dik.

Bij IBM Research en, bij sommige projecten met steun van de overheid, wetenschappers onderzoeken de nanoschaal om de vermogensdichtheid en energie-efficiëntie van elektronische apparaten te verbeteren, inclusief alles van mobiele telefoons tot IoT-sensoren tot gigantische clouddatacenters.

Een zo'n project wordt geleid door wetenschapper Elad Koren van IBM's lab in Zürich. In het project, die wordt gefinancierd in het kader van het Ambizione-programma binnen de Swiss National Science Foundation (SNSF), het team is gericht op het begrijpen van de basisfysica van het stapelen van 2D-materialen, inclusief het momenteel populaire grafeen.

Hoewel er veel hype is rond grafeen, het wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende materialen voor toekomstige elektronische halfgeleider- en kwantumapparaten vanwege de superieure elektronische eigenschappen. Het vertoont ook rijke fysieke eigenschappen, afhankelijk van hoe het op een ander 2D-kristal is gestapeld, en hier wordt het echt interessant en een beetje ingewikkeld.

Wanneer de twee gestapelde lagen van hetzelfde materiaal zijn gemaakt, zoals grafeen, een speciale reeks periodieke 2D-superroosters zal onder specifieke hoeken tevoorschijn komen. Een dergelijke mismatch kan ook een bandgap veroorzaken in dubbellaagse grafeensystemen, wat een van de eerste stappen vormt naar het bouwen van transistorachtige apparaten voor elektronische apparaten van de volgende generatie die krachtiger zijn, maar toch energiezuinig.

Koren en zijn collega's publiceerden hun eerste resultaten in het septembernummer van het peer-review tijdschrift van september 2016. Natuur Nanotechnologie . In het artikel liet het team zien hoe ze met behulp van de scherpe punt van een atoomkrachtmicroscoop precies kunnen controleren wat lijkt op een gewone huissleutel (Fig. 1).

Het sleutelvormige apparaat van nanoformaat kan als handen op een slot van 0 tot 360 graden worden gedraaid, die kan worden gebruikt als een schakelaar om de stroom van een tunnelveldeffecttransistor (TFET) in en uit te schakelen, een belangrijke stap in het terugdringen van energielekkage in elektronische apparaten.

"We hebben een ongekende nauwkeurigheid bereikt bij het regelen van de rotatieconfiguratie met een hoekresolutie - beter dan 0,1 graad. Dit stelt ons in staat om zowel de fundamentele aard van de stapel te verkennen als het volledige potentieel ervan te realiseren, ' zei Koren.

Het vermogen om de stapelconfiguratie met hoge hoeknauwkeurigheid te regelen, maakt het mogelijk om veel fysieke eigenschappen te controleren en te engineeren en om nieuwe nieuwe materialen te realiseren op verschillende gebieden in wetenschap en technologie, zoals:elektronica, optiek, thermo-elektriciteit en elektromechanica.

Het apparaat maakt ook een hoge magnetische flux mogelijk binnen een enkele kristalcel die de beroemde vlinder van Hofstadter produceert, het theoretische gedrag van elektronen onder een sterk magnetisch veld en een periodieke potentiaal.

De wrijvingswetten ontsnappen niet aan het nanoregime en zelfs op deze kleine schaal wordt wrijving een uitdaging voor het sleutelvormige apparaat en zoals we weten, wrijving veroorzaakt warmte, slijtage en verdrijft energie - een ongelukkige eigenschap op deze schaal.

ongelooflijk, de rotatiemismatch in 2D-gelaagde systemen onderdrukt de wrijving en energiedissipatie sterk, een effect dat bekend staat als superlubricity.

"Er is vrijwel geen wrijving. Het is gewoon gebaseerd op het vinden van de juiste hoek, ", voegt Koren toe.

Koren hoopt dat door zijn onderzoek met anderen in het veld te delen, het zal leiden tot nieuwe materiaal- en apparaatontwerpen.