science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Op het punt van valleytronics

De bandstructuur van tweedimensionale materialen zoals wolfraamdisulfide heeft 'dalen' die een manier bieden om informatie te coderen met behulp van een elektron. Credit:IOP Publishing Figuur 1 van Nano Futures 2, 032001 (2018)

Onderzoek naar het gebruik van tweedimensionale (2-D) materialen voor alledaagse apparaten heeft een aantal ups en downs gehad. Echter, het opkomende gebied van valleytronics gebruikt energietroggen om hernieuwd potentieel te bieden.

Volgens Johnson Goh, een senior wetenschapper bij A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering, 2-D en andere zeer dunne materialen zouden binnenkort valleytronics kunnen gebruiken om informatie te verzenden. Goh beweert dat een combinatie van steeds betaalbaarder wordende productiemethoden voor 2D-materialen en de toepassing van technieken zoals valleytronics snel kunnen samenwerken om de afmetingen van apparaten en het energieverbruik te verkleinen.

Het basisidee is om informatie door 2-D en andere zeer dunne geleidende materialen te sturen met behulp van de energie-'dalen' (of energie-extrema's) in hun geleidings- en valentiebanden (de energiebanden waaromheen elektronen rond de atoomkern draaien). Informatie, zegt Goh, kan worden overgedragen door de associatie van een elektron met een vallei te regelen - een manipulatie die kan worden bereikt met behulp van elektrische velden, magnetische velden en circulair gepolariseerd licht.

Bijvoorbeeld, in molybdeendisulfide, wat een 2D-materiaal is, de aanwezigheid van twee ongelijkwaardige valleien betekent dat informatie op een binaire manier kan worden opgeslagen op basis van in welke vallei een elektron zich bevindt:één vallei kan een nul vertegenwoordigen, terwijl de andere een kan vertegenwoordigen. Deze informatie kan vervolgens worden gebruikt voor berekening of geheugen.

sneller, beter, sterker:2D-halfgeleiders en valleytronics

Goh stelt dat een combinatie van valleytronics en 2-D of zeer dunne materialen een hele reeks functionaliteiten in nano-elektronische en nanofotonische apparaten mogelijk zal maken die niet kunnen worden bereikt met de bestaande op silicium gebaseerde halfgeleidertechnologie. Bijvoorbeeld, Valleytronics zou het mogelijk maken om elektronentransport in 2D-materialen te manipuleren bij lagere energieën dan conventionele apparaten.

Informatie wordt verzonden in de meeste van de huidige apparaten met behulp van een stroom van geladen elektronen. Naast dat er vaak meer elektronen nodig zijn om te communiceren, deze methode lijdt aan een 'verdringing' van elektronen en hun gedrang resulteert in verstrooiing en enig verlies van elektronenenergie als warmte. In valleitronica, anderzijds, verstrooiingsverliezen kunnen worden onderdrukt omdat elektronen in energiedalen enigszins worden beschermd tegen verdringing.

Gegevens kunnen ook robuuster worden opgeslagen in valleytronics-materialen dan in conventionele gegevensopslagsystemen, zegt Goh. "De vallei is een eigenschap van het hele materiaal, en dus worden de valleistaten alleen vernietigd als het materiaal aanzienlijk wordt gewijzigd of ophoudt te bestaan, " legt hij uit. "Dus in plaats van informatie te coderen op elektrische ladingen die verloren kunnen gaan door verstrooiing, Het coderen van informatie naar valleitoestanden zou duurzamer moeten zijn vanwege de unieke koppeling van elektronenspin aan vallei."

Momenteel, Goh en andere onderzoekers van IMRE ontwikkelen een aantal nieuwe en bruikbare 2D-halfgeleiders voor deze technologie door hun samenstelling aan te passen om bandhiaten af ​​te stemmen en zo hun geleidingseigenschappen te regelen.

Echter, om een ​​binair informatiesysteem te creëren met behulp van de valleitoestanden van een 2D-materiaal, het is ook van vitaal belang om te onderscheiden met welke vallei een lading wordt geassocieerd met behulp van 'valleycontrast' - dit zijn tegengestelde spins die worden gehost door valleien met tegenovergestelde indices. Overgangsmetaal dichalcogeniden, zoals molybdeendisulfide, zijn nuttig gebleken voor het team, omdat deze al twee verschillende valleien hebben met inherent contrast, het elimineren van de noodzaak om deze materialen opnieuw te ontwerpen om deze eigenschap te hebben.

Het laboratorium van A*STAR-wetenschapper Johnson Goh zit boordevol geavanceerde apparatuur voor het onderzoeken van tweedimensionale materialen. Krediet:A*STAR

Goh en zijn team proberen ook aan de bekende lijst van materialen toe te voegen met deze sleuteleigenschap. In de afgelopen twee jaar, in samenwerking met de Nationale Universiteit van Singapore, ze hebben een reeks hulpmiddelen samengesteld om 2D-materialen op maat te maken voor hun valleicontrast.

2D-materialen met groot oppervlak klaar voor de markt

Tegelijkertijd, Goh's collega's pakken een van de grootste obstakels voor de commercialisering van deze technologie aan. Het vinden van betrouwbare en schaalbare productiemethoden voor grootschalige elektronica vereist technieken die 2D-materialen kunnen vormen met uniforme dikte en elektrische eigenschappen over gebieden die minstens zo groot zijn als een vier-inch wafer:de standaard substraatgrootte die wordt gebruikt in de elektronica-industrie.

Om dit te doen, Goh wendde zich tot IMRE-collega Dongzhi Chi, die manieren vindt om 2D-halfgeleidermaterialen met een groot oppervlak te vervaardigen met behulp van een methode die bekend staat als chemische dampafzetting. Deze techniek vormt materialen door een substraat op hoge temperatuur bloot te stellen aan gassen die de gewenste atomen dragen.

Chi en zijn team hebben al een aantal belangrijke successen geboekt bij het beheersen van de concentratieverspreiding van de chemische dampen van molybdeendisulfide tijdens dit proces. Door een dunne barrière van nikkeloxideschuim te introduceren om de chemische concentraties in de damp te verlagen, ze hebben de uniformiteit en kwaliteit van het depositiemateriaal verbeterd. "Het voordeel van deze aanpak ten opzichte van andere is gemak, " zegt Chi, "het gebruikt chemische poeders met een lage toxiciteit en minimale introductie van chemische soorten buiten de chemische elementen in het gedeponeerde materiaal zelf, molybdeen en zwavel."

Proof of concept-apparaten

Goh zegt dat zijn team begin 2019 hun eerste proof-of-concept-apparaten wil demonstreren. Hij zegt dat dit apparaten zullen zijn die valleytronics gebruiken om eenvoudige dingen te doen. zoals het in- of uitschakelen van een apparaat.

Echter, hij voegt eraan toe dat als dal-elektronen in superpositietoestanden worden gebracht, ze een qubit kunnen produceren - de fundamentele eenheid voor kwantumcomputers. In feite, Goh ziet de grootste toekomstige voordelen voor valleytronics in zijn mogelijke toepassingen voor "elektronica zoals low-power edge computing en uiteindelijk robuuste quantum computing."

Kleinere apparaten betekenen kleinere afstanden voor informatie om te reizen en dus bieden valleytronics en kwantumcomputing beide voordelen in gegevensverwerkingssnelheden. Dit is opgemerkt door mensen die de spin van atomen probeerden te benutten voor kwantumcomputers. Echter, Valleytronics kan een voorsprong hebben op spintronica, aangezien kwantumspin sterk verbonden is met magnetische velden, die stabiliteitsproblemen kan introduceren die niet zo problematisch zijn in valleytronics.

Daarom, Goh denkt dat het maken van kwantumcomputers die gebruik maken van valleistaten de sleutel zal zijn om het hele 2D-materiële veld open te stellen voor commercialisering. "Quantum computing zal ons helpen om de voordelen van 2D-materialen ten opzichte van klassieke elektronica te laten zien. bedrijven zouden meer bereid kunnen zijn om te investeren in de infrastructuur die nodig is om nog beter presterende 2D-materialen te ontwikkelen en deze om te zetten in echt disruptieve technologieën."