Onderzoekers hebben ontdekt dat het topologische materiaal trinatriumbismutide (Na ₃ Bi) kan zo 'elektronisch soepel' worden vervaardigd als het op grafeen gebaseerde alternatief van de hoogste kwaliteit, terwijl de hoge elektronenmobiliteit van grafeen behouden blijft.

nee ₃ Bi is een Topologisch Dirac Semimetaal (TDS), beschouwd als een 3D-equivalent van grafeen omdat het dezelfde buitengewoon hoge elektronenmobiliteit vertoont.

in grafeen, zoals in een TDS, elektronen bewegen met constante snelheid, onafhankelijk van hun energie.

Deze hoge elektronenmobiliteit is zeer wenselijk in materialen die zijn onderzocht voor snel schakelende elektronica. De stroom van elektronen in grafeen kan zijn, theoretisch, 100 keer zo snel als in silicium.

In de praktijk zijn er echter beperkingen aan de opmerkelijke elektronenmobiliteit van grafeen, gedreven door de tweedimensionale aard van het materiaal.

Hoewel grafeen zelf extreem zuiver kan zijn, het is veel te dun om als een op zichzelf staand materiaal te gebruiken, en moet worden gebonden met een ander materiaal. En omdat grafeen atomair dun is, onzuiverheden in dat substraat kunnen elektronische wanorde in het grafeen veroorzaken.

Dergelijke microscopische inhomogeniteiten, bekend als 'oplaadplassen', de mobiliteit van ladingdragers beperken.

In praktijk, dit betekent dat op grafeen gebaseerde apparaten nauwgezet moeten worden geconstrueerd met een grafeenvel dat op een substraatmateriaal wordt gelegd dat dergelijke elektronische wanorde minimaliseert. Hiervoor wordt vaak zeshoekig boornitride (h-BN) gebruikt.

Maar nu, onderzoekers van het Australische FLEET-onderzoekscentrum hebben ontdekt dat trinatriumbismuthide (Na ₃ Bi) die in hun laboratoria aan de Monash University worden gekweekt, zijn net zo elektronisch soepel als grafeen/h-BN van de hoogste kwaliteit.

Het is een belangrijke prestatie, zegt hoofdonderzoeker dr. Mark Edmonds. "Dit is de eerste keer dat een 3D Dirac-materiaal op zo'n manier is gemeten, " zegt Dr. Edmonds. "En we zijn verheugd dat we zo'n hoge mate van elektronische gladheid in dit materiaal hebben gevonden."

De ontdekking zal van cruciaal belang zijn voor de vooruitgang van de studie van dit nieuwe topologische materiaal, die brede toepassingen in de elektronica zou kunnen hebben. "Het is onmogelijk om te weten hoeveel onderzoeksgebieden dit zou kunnen openen, " zegt Dr. Edmonds. "Dezelfde bevinding in grafeen/h-BN leidde in 2011 tot aanzienlijke aanvullende onderzoeken."

Met elektronische gladheid van Na3Bi nu gedemonstreerd, een scala aan andere onderzoeksmogelijkheden openen. Sinds de ontdekking in 2004 is er veel onderzoek gedaan naar de relativistische (hoge mobiliteit) stroom van elektronen in grafeen. soortgelijke onderzoeken naar Na3Bi kunnen worden verwacht.

nee ₃ Bi biedt een aantal interessante voordelen ten opzichte van grafeen.

Naast het vermijden van de moeilijke constructiemethoden die betrokken zijn bij dubbellaagse grafeen / h-BN-apparaten, nee ₃ Bi kan op millimeterschaal of groter worden gekweekt. Momenteel, grafeen-h-BN is beperkt tot slechts enkele micrometers.

Een ander belangrijk voordeel is de mogelijkheid om Na . te gebruiken ₃ Bi als het geleidende kanaal in een nieuwe generatie transistors - één gebouwd op de wetenschap van topologische isolatoren. De studie is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang december 2017.

Volgende stappen &topologische transistors

"De ontdekking van elektronisch soepele, dunne films van TDS zijn een belangrijke stap in de richting van schakelbare topologische transistors, ", zegt FLEET-directeur prof. Michael Fuhrer.

"Grafeen is een fantastische dirigent, maar het kan niet worden 'uitgeschakeld', of gecontroleerd, " zegt prof. Führer. "Topologische materialen, zoals Na ₃ Bi, kan worden omgeschakeld van conventionele isolator naar topologische isolator door het aanleggen van spanning of magnetisch veld."

Topologische isolatoren zijn nieuwe materialen die zich in hun interieur als elektrische isolatoren gedragen, maar kunnen een stroom langs hun randen voeren. In tegenstelling tot een conventioneel elektrisch pad, dergelijke topologische randpaden kunnen elektrische stroom voeren met een energiedissipatie van bijna nul, wat betekent dat topologische transistors kunnen schakelen zonder energie te verbranden.

Topologische materialen werden vorig jaar erkend bij de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Topologische transistoren zouden 'schakelen', net als een traditionele transistor. De toepassing van een poortpotentiaal zou de randpaden in een Na . veranderen ₃ Bi-kanaal tussen een topologische isolator ('aan') en een conventionele isolator ('uit').

Het grotere plaatje:energieverbruik bij berekeningen

De overkoepelende uitdaging is de groeiende hoeveelheid energie die wordt gebruikt in computer- en informatietechnologie (IT).

Elke keer dat een transistor schakelt, een kleine hoeveelheid energie wordt verbrand, en met biljoenen transistors die miljarden keren per seconde schakelen, deze energie telt op. Nu al, de energie die tijdens de berekening wordt verbrand, is goed voor 5 procent van het wereldwijde elektriciteitsverbruik, en het verdubbelt elk decennium.

Voor vele jaren, de energiebehoefte van een exponentieel groeiend aantal berekeningen werd in toom gehouden door steeds efficiëntere, en steeds compactere computerchips - een effect dat verband houdt met de wet van Moore. Maar naarmate de fundamentele natuurkundige limieten worden benaderd, De wet van Moore loopt ten einde, en er zijn beperkte toekomstige efficiënties te vinden.

"Om de berekening te laten groeien, om de veranderende eisen bij te houden, we hebben efficiëntere elektronica nodig, " zegt prof. Michael Fuhrer. "We hebben een nieuw type transistor nodig die minder energie verbruikt als hij schakelt."

"Deze ontdekking zou een stap kunnen zijn in de richting van topologische transistors die de wereld van berekeningen transformeren."

De studie is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .