De afgelopen zestig jaar heeft de elektronica-industrie en de gemiddelde consument hebben geprofiteerd van de voortdurende miniaturisering, verhoogde opslagcapaciteit en verminderd stroomverbruik van elektronische apparaten. Echter, dit tijdperk van schaalvergroting waar de mensheid van geprofiteerd heeft, komt snel tot een einde. Om de omvang en het stroomverbruik van elektronica te blijven verkleinen, nieuwe materialen en nieuwe technische benaderingen zijn nodig.

Susan Fullerton, assistent-professor chemische en petroleumtechnologie aan de Swanson School of Engineering van de Universiteit van Pittsburgh, gaat die uitdaging aan door de volgende generatie elektronica te ontwikkelen op basis van alle tweedimensionale materialen. Deze "alle 2D"-materialen zijn vergelijkbaar met een vel papier - als het papier maar één molecuul dik was. Haar onderzoek naar deze superdunne materialen werd erkend door de National Science Foundation met een bedrag van $ 540, 000 CARRIRE-prijs, die docenten aan het begin van hun carrière ondersteunt die het potentieel hebben om als academische rolmodellen te dienen in onderzoek en onderwijs en om vooruitgang te boeken in de missie van hun afdeling of organisatie.

"De komst van nieuwe computerparadigma's verlegt de limiet van wat traditionele halfgeleiderapparaten kunnen bieden, "Zei Dr. Fullerton. "Bijvoorbeeld, machine learning vereist reactiesnelheden van nanoseconden, sub-volt werking, 1, 000 verschillende weerstandstoestanden, en andere aspecten die geen bestaande apparaattechnologie kan bieden.

"We weten al heel lang dat ionen, zoals die in lithium-ionbatterijen, heel goed kunnen bepalen hoe de lading in deze ultradunne halfgeleiders beweegt, " merkte ze op. "In dit project, we vinden de rol van ionen in hoogwaardige elektronica opnieuw uit. Door opeenvolgende lagen ter grootte van een molecuul op elkaar te leggen, we willen de opslagcapaciteit vergroten, stroomverbruik verminderen, en de verwerkingssnelheid enorm versnellen. "1"

Om dit 2D-apparaat te bouwen, Fullerton en haar groep vonden een nieuw type ionenhoudend materiaal uit, of elektrolyt, die slechts één molecuul dik is. Deze "monolaag-elektrolyt" zal uiteindelijk nieuwe functies introduceren die door de gemeenschap van elektronische materialen kunnen worden gebruikt om de fundamentele eigenschappen van nieuwe halfgeleidermaterialen te onderzoeken en om elektronica te ontwikkelen met volledig nieuwe apparaatkenmerken.

Volgens Dr. Fullerton, er zijn verschillende belangrijke toepassingsruimten waar de materialen en benaderingen die in dit CAREER-onderzoek zijn ontwikkeld een impact kunnen hebben:informatieopslag, op de hersenen geïnspireerd computergebruik, en veiligheid, vooral.

Naast de ontwikkeling van de monolaagelektrolyten, de NSF-prijs zal een Ph.D. student en postdoctoraal onderzoeker, evenals een outreach-programma om de nieuwsgierigheid en betrokkenheid van K-12 en ondervertegenwoordigde studenten te inspireren in materialen voor elektronica van de volgende generatie. specifiek, Dr. Fullerton heeft een activiteit ontwikkeld waarbij studenten kunnen zien hoe de polymere elektrolyten die in dit onderzoek worden gebruikt, in realtime kristalliseren met behulp van een goedkope camera die is aangesloten op een smartphone of iPad. Met de CAREER-prijs kan Dr. Fullerton deze microscoop aan klaslokalen leveren, zodat de leraren samen met hun studenten kunnen blijven verkennen.

"Als de studenten die draagbare microscoop in hun handen krijgen, worden ze heel creatief, "zei ze. "Nadat ze hebben gekeken wat er met het polymeer gebeurt, ze gaan op ontdekkingstocht. Ze kijken naar de huid van hun arm, de kauwgom uit hun mond, of de details van de stof op hun kleding. Het is verbazingwekkend om te zien hoe dit relatief goedkope gereedschap nieuwsgierigheid opwekt in de materialen die overal om hen heen zijn, en dat is het hoofddoel."

Dr. Fullerton merkte op dat haar onderzoek een werkelijk nieuwe benadering van het gebruik van ionen hanteert, die traditioneel werd vermeden door de halfgeleidergemeenschap.

"Ionen worden vaak genegeerd, want als je hun locatie niet kunt controleren, ze kunnen een apparaat verpesten. Dus het idee om ionen niet alleen te gebruiken als een hulpmiddel om fundamentele eigenschappen te onderzoeken, maar als een integraal onderdeel van het apparaat is het buitengewoon opwindend en riskant, " verklaarde Dr. Fullerton. "Indien aangenomen, ionen in combinatie met 2D-materialen kunnen een paradigmaverschuiving in high-performance computing vertegenwoordigen, omdat we gloednieuwe materialen nodig hebben met opwindende nieuwe fysica en eigenschappen die niet langer worden beperkt door grootte."