Tweedimensionale (2-D) materialen - zo dun als een enkele laag atomen - hebben wetenschappers geïntrigeerd door hun flexibiliteit, elasticiteit, en unieke elektronische eigenschappen, zoals voor het eerst ontdekt in materialen zoals grafeen in 2004. Sommige van deze materialen kunnen bijzonder gevoelig zijn voor veranderingen in hun materiaaleigenschappen als ze worden uitgerekt en getrokken. Onder toegepaste spanning, er is voorspeld dat ze faseovergangen ondergaan die zo verschillend zijn als supergeleidend op het ene moment naar niet-geleidend het volgende, of optisch ondoorzichtig in het ene moment tot transparant in het volgende.

Nutsvoorzieningen, Onderzoekers van de Universiteit van Rochester hebben op een nieuwe manier 2D-materialen gecombineerd met oxidematerialen. met behulp van een apparaatplatform op transistorschaal, om de mogelijkheden van deze veranderlijke 2D-materialen om elektronica te transformeren volledig te verkennen, optiek, computergebruik en tal van andere technologieën.

"We openen een nieuwe richting van studie, " zegt Stephen Wu, assistent-professor elektrische en computertechniek en natuurkunde. "Er is een enorm aantal 2D-materialen met verschillende eigenschappen - en als je ze uitrekt, ze zullen allerlei dingen doen."

Het platform ontwikkeld in het laboratorium van Wu, geconfigureerd als traditionele transistors, maakt het mogelijk dat een kleine vlok van een 2D-materiaal op een ferro-elektrisch materiaal wordt afgezet. Spanning toegepast op het ferro-elektrische - dat werkt als de derde terminal van een transistor, of gate - spant het 2D-materiaal door het piëzo-elektrische effect, waardoor het uitrekt. Dat, beurtelings, veroorzaakt een faseverandering die de manier waarop het materiaal zich gedraagt ​​volledig kan veranderen. Wanneer de spanning wordt uitgeschakeld, behoudt het materiaal zijn fase totdat een spanning met tegengestelde polariteit wordt toegepast, waardoor het materiaal terugkeert naar zijn oorspronkelijke fase.

"Het uiteindelijke doel van tweedimensionale straintronics is om alle dingen die je voorheen niet onder controle had te nemen, zoals de topologische, supergeleidend, magnetisch, en optische eigenschappen van deze materialen, en nu in staat zijn om ze te beheersen, gewoon door het materiaal op een chip uit te rekken, "zegt Wu.

"Als je dit doet met topologische materialen, kun je kwantumcomputers beïnvloeden, of als je het met supergeleidende materialen doet, kun je invloed hebben op supergeleidende elektronica."

In een paper in Natuur Nanotechnologie , Wu en zijn studenten beschrijven het gebruik van een dunne film van tweedimensionaal molybdeen ditelluride (MoTe2) in het apparaatplatform. Wanneer uitgerekt en niet uitgerekt, de MoTe2 verandert van een laaggeleidend halfgeleidermateriaal naar een sterk geleidend halfgeleidermateriaal en weer terug.

"Het werkt net als een veldeffecttransistor. Je hoeft alleen maar een spanning op die derde klem te zetten, en de MoTe2 zal een beetje in één richting uitrekken en iets worden dat geleidt. Dan rek je het terug in een andere richting, en ineens heb je iets met een lage geleidbaarheid, "zegt Wu.

Het proces werkt bij kamertemperatuur, hij voegt toe, en, opmerkelijk, "vereist slechts een kleine hoeveelheid spanning - we rekken de MoTe2 met slechts 0,4 procent uit om deze veranderingen te zien."

De wet van Moore voorspelt beroemd dat het aantal transistors in een dichte geïntegreerde schakeling ongeveer elke twee jaar verdubbelt.

Echter, naarmate de technologie de grenzen nadert waarop traditionele transistors in omvang kunnen worden verkleind - naarmate we het einde van de wet van Moore bereiken - zou de technologie die in het laboratorium van Wu is ontwikkeld verreikende implicaties kunnen hebben bij het overstijgen van deze beperkingen als de zoektocht naar steeds krachtiger, sneller computergebruik gaat door.

Wu's platform heeft het potentieel om dezelfde functies uit te voeren als een transistor met veel minder stroomverbruik, omdat er geen stroom nodig is om de geleidbaarheidstoestand te behouden. Bovendien, het minimaliseert de lekkage van elektrische stroom als gevolg van de steile helling waarbij het apparaat de geleidbaarheid verandert met aangelegde poortspanning. Beide problemen - hoog stroomverbruik en lekkage van elektrische stroom - hebben de prestaties van traditionele transistors op nanoschaal beperkt.

"Dit is de eerste demonstratie, Wu voegt eraan toe. "Nu is het aan onderzoekers om erachter te komen hoe ver het gaat."

Een voordeel van Wu's platform is dat het is geconfigureerd als een traditionele transistor, waardoor het uiteindelijk gemakkelijker wordt om zich aan te passen aan de huidige elektronica. Echter, er is meer werk nodig voordat het platform dat stadium bereikt. Momenteel kan het apparaat slechts 70 tot 100 keer in het laboratorium werken voordat het apparaat uitvalt. Terwijl het uithoudingsvermogen van andere niet-vluchtige herinneringen, zoals flits, veel hoger zijn, werken ze ook veel langzamer dan het uiteindelijke potentieel van de op spanning gebaseerde apparaten die in het laboratorium van Wu worden ontwikkeld.

"Denk ik dat het een uitdaging is die kan worden overwonnen? Absoluut, " zegt Wu, die met Hesam Askari aan het probleem gaat werken, een assistent-professor werktuigbouwkunde in Rochester, ook een co-auteur op het papier. "Het is een materiaaltechnisch probleem dat we kunnen oplossen naarmate we verder gaan met ons begrip van hoe dit concept werkt."

Ze zullen ook onderzoeken hoeveel spanning kan worden uitgeoefend op verschillende tweedimensionale materialen zonder dat ze breken. Het bepalen van de uiteindelijke limiet van het concept zal onderzoekers helpen om andere materialen met faseverandering te vinden naarmate de technologie vooruitgaat

Wu, die zijn Ph.D. in natuurkunde aan de Universiteit van Californië, Berkeley, was een postdoctoraal onderzoeker in de Materials Science Division van het Argonne National Laboratory voordat hij in 2017 als assistent-professor bij de afdeling Electrical and Computer Engineering en de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Rochester ging werken.

Hij begon met een enkele student in zijn lab - Arfan Sewaket '19, die de zomer doorbracht als Xerox Research Fellow. Ze hielp Wu met het opzetten van een tijdelijk lab, was toen de eerste die het apparaatconcept uitprobeerde en de eerste om de haalbaarheid ervan aan te tonen.

Vanaf dat moment, vier afgestudeerde studenten in Wu's lab - hoofdauteur Wenhui Hou, Ahmad Azizimanesh, Tara Pena, en Carla Watson "hebben zoveel werk verzet" om de eigenschappen van het apparaat te documenteren en te verfijnen, het creëren van ongeveer 200 verschillende versies tot nu toe, zegt Wu. Alle worden vermeld met Sewaket als co-auteurs, samen met Askari en Ming Liu van de Xi'an Jiaotong University in China.