Een gezamenlijk onderzoek onder leiding van de Universiteit van Wollongong bevestigt het schakelmechanisme voor een nieuwe, voorgestelde generatie topologische elektronica met ultralage energie.

Gebaseerd op nieuwe kwantumtopologische materialen, zouden dergelijke apparaten een topologische isolator "omschakelen" van niet-geleidende (conventionele elektrische isolator) naar een geleidende (topologische isolator) toestand, waarbij elektrische stroom langs de randtoestanden zou kunnen stromen zonder verspilde energieverspilling.

Dergelijke topologische elektronica zou het energieverbruik in computers en elektronica radicaal kunnen verminderen, dat naar schatting 8% van de wereldwijde elektriciteit verbruikt en elk decennium verdubbelt.

Onder leiding van Dr. Muhammad Nadeem van de Universiteit van Wollongong (UOW), bracht het onderzoek ook expertise van medewerkers van het FLEET Center van UNSW en Monash University met zich mee.

De schakeluitdaging oplossen

Tweedimensionale topologische isolatoren zijn veelbelovende materialen voor topologische kwantumelektronische apparaten waar randtoestandtransport kan worden geregeld door een door een poort geïnduceerd elektrisch veld.

Een grote uitdaging bij dergelijke door elektrische velden geïnduceerde topologische schakelingen was echter de vereiste van een onrealistisch groot elektrisch veld om de topologische bandgap te dichten.

Het cross-node en interdisciplinaire FLEET-onderzoeksteam bestudeerde de breedte-afhankelijkheid van elektronische eigenschappen om te bevestigen dat een materiaalklasse die bekend staat als zigzag-Xene nanoribbons zou voldoen aan de noodzakelijke voorwaarden voor gebruik, namelijk:

1. Spin-gefilterde chirale randtoestanden in zigzag-Xene-nanoribbons blijven open en beschermd tegen achterwaartse verstrooiing
2. De drempelspanning die nodig is om te schakelen tussen gapless en gapped edge-toestanden neemt af naarmate de breedte van het materiaal afneemt, zonder enige fundamentele ondergrens
3. Topologisch schakelen tussen randtoestanden kan worden bereikt zonder dat de bulk (d.w.z. binnenste) bandgap wordt gesloten en opnieuw wordt geopend
4. Kwantumbegrensde zigzag-Xene-nanoribbons kunnen de vooruitgang van topologische computertechnologieën met ultralage energie stimuleren.

Zigzag Xenes kan de sleutel zijn

Grafeen was het eerste bevestigde atomair dunne materiaal, een 2D-plaat van koolstofatomen (groep IV) gerangschikt in een honingraatrooster. Nu worden topologische en elektronische eigenschappen onderzocht voor vergelijkbare honingraatplaten van groep-IV- en groep-V-materialen, gezamenlijk 2D-Xenen genoemd.

2D-Xenen zijn topologische isolatoren, d.w.z. elektrisch isolerend in hun binnenste maar geleidend langs hun randen, waar elektronen worden overgedragen zonder enige energie te dissiperen (vergelijkbaar met een supergeleider). Wanneer een 2D-Xene-vel wordt gesneden in een smal lint dat eindigt op "zigzag" -randen, bekend als zigzag-Xene-nanoribbons, behoudt het de geleidende randmodi die kenmerkend zijn voor een topologische isolator, waarvan wordt aangenomen dat ze hun vermogen behouden om stroom te dragen zonder dissipatie.

Onlangs is aangetoond dat zigzag-xene-nanoribbons de potentie hebben om een ​​topologische transistor te maken die de schakelenergie met een factor vier kan verminderen.

Het nieuwe onderzoek onder leiding van UOW vond het volgende:

Brandstatus behouden

Metingen gaven aan dat spin-gefilterde chirale randtoestanden in zigzag-Xene nanoribbons gapless blijven en beschermd blijven tegen de achterwaartse verstrooiing die weerstand veroorzaakt, zelfs met eindige inter-edge overlap in ultrasmalle linten (wat betekent dat een 2D quantum spin Hall-materiaal een fase ondergaat overgang naar een 1D-topologisch metaal.) Dit wordt aangedreven door de randtoestanden die verweven zijn met intrinsieke bandtopologie-gestuurde energie-nul-modi.

"Quantum begrensde zigzag-Xene-nanoribbons zijn een speciale klasse van topologische isolatiematerialen waarbij de energiespleet van het bulkmonster toeneemt met een afname in breedte, terwijl de geleiding van de randtoestand robuust blijft tegen dissipatie, zelfs als de breedte wordt teruggebracht tot een quasi- een dimensie", zegt FLEET-onderzoeker en medewerker van de nieuwe studie, universitair hoofddocent Dmitrie Culcer (UNSW). "Dit kenmerk van beperkte zigzag-Xene-nanoribbons staat in schril contrast met andere 2D-topologische isolatiematerialen waarin opsluitingseffecten ook een energiekloof in de randtoestanden veroorzaken."

Lage drempelspanning

Vanwege de breedte- en momentumafhankelijke afstembaarheid van gate-geïnduceerde inter-edge-koppeling, neemt de drempelspanning die nodig is voor het schakelen tussen gapless en gapped edge-toestanden af ​​naarmate de breedte van het materiaal afneemt, zonder enige fundamentele ondergrens.

"Een ultrasmalle zigzag-Xene-nanoribbon kan 'schakelen' tussen een quasi-eendimensionaal topologisch metaal met geleidende randloze toestanden en een gewone isolator met openstaande randtoestanden met een kleine aanpassing van een spanningsknop", zegt hoofdauteur Dr. Mohammed Nadeem (UOW).

"Het gewenste tweaken van een spanningsknop neemt af naarmate de breedte van zigzag-Xene-nanoribbons afneemt, en een lagere bedrijfsspanning betekent dat het apparaat minder energie kan gebruiken. De vermindering van het tweaken van de spanningsknop komt tot stand door een relativistisch kwantumeffect genaamd spin-orbit koppeling en contrasteert sterk met ongerepte zigzag-xene-nanoribbons die gewone isolatoren zijn en waarbij de gewenste spanningsknopaanpassing toeneemt met afnemende breedte."

Topologisch schakelen zonder bulkbandgap-sluiting

Wanneer de breedte van zigzag-Xene-nanoribbons kleiner is dan een kritische limiet, kan topologisch schakelen tussen randtoestanden worden bereikt zonder het sluiten en heropenen van de bandgap. Dit is voornamelijk te wijten aan het kwantumbeperkingseffect op het bulkbandspectrum, dat de niet-triviale bulkbandgap vergroot naarmate de breedte afneemt.

"Dit gedrag is nieuw en verschilt van 2D-topologische isolatoren, waarbij het sluiten en opnieuw openen van de bandgap altijd nodig is om de topologische toestand te veranderen", zegt prof. Michael Fuhrer (Monash). "Brede zigzag-Xene-nanoribbons werken meer als het 2D-geval, waarbij het elektrische poortveld de geleiding van de randtoestand schakelt en tegelijkertijd de bulkbandgap sluit en weer opent."

"In de aanwezigheid van spin-orbit-koppeling, [a] topologisch schakelmechanisme in zigzag-xene-nanoribbons met grote opening doet de algemene wijsheid teniet van het gebruik van materialen met smalle opening en brede kanalen voor het verminderen van drempelspanning in een standaard veldeffecttransistoranalyse ", zegt Prof Xiaolin Wang (UOW).

"Bovendien heeft [een] topologische kwantumveldeffecttransistor die zigzag-xene-nanoribbons als kanaalmateriaal gebruikt, verschillende voordelen van technische ingewikkeldheden die betrokken zijn bij ontwerp en fabricage", zegt prof. Alex Hamilton (UNSW).

In tegenstelling tot MOSFET-technologie, waarbij de grootte-afhankelijkheid van de drempelspanning verstrengeld is met isolatietechnieken, is de reductie van de drempelspanning in een topologische kwantumveldeffecttransistor een intrinsieke eigenschap van zigzag-xene-nanoribbons die verband houden met topologische en kwantummechanische functionaliteiten. /P>

Naast enorm verschillende geleidings- en schakelmechanismen, verschillen de technologische aspecten die nodig zijn voor het fabriceren van een topologische kwantumveldeffecttransistor met zigzag-xene-nanoribbons ook radicaal van die van MOSFET's:er is geen fundamentele vereiste van gespecialiseerde technologische/isolatietechnieken voor een laag- spanning TQFET met een energiezuinig schakelmechanisme.

Met behoud van topologische robuustheid in ON-status en minimale drempelspanning, kan de kanaalbreedte worden teruggebracht tot een quasi-een-dimensie. Dit maakt een geoptimaliseerde geometrie mogelijk voor een topologische kwantumveldeffecttransistor met verbeterde signaal-ruisverhouding via meerdere edge-state-kanalen. + Verder verkennen

Geleidingsmodus schakelen - een stap in de richting van topologische transistors