Tin tức Deeper

Các nhà nghiên cứu ‘mở rộng’ khả năng của vật liệu 2D để thay đổi công nghệ

Ngày:
Th6 11, 2019
Tóm lược:

Các vật liệu hai chiều (2D) – mỏng như một lớp nguyên tử – đã khiến các nhà khoa học mê mẩn với tính linh hoạt, tính đàn hồi và các đặc tính điện tử độc đáo của chúng. Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã kết hợp vật liệu 2D với vật liệu oxit theo cách mới, sử dụng nền tảng thiết bị quy mô bóng bán dẫn, để khám phá đầy đủ khả năng của các vật liệu 2D có thể thay đổi này để biến đổi điện tử, quang học, điện toán và một loạt các công nghệ khác.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Các vật liệu hai chiều (2D) – mỏng như một lớp nguyên tử – đã khiến các nhà khoa học mê mẩn với tính linh hoạt, tính đàn hồi và tính chất điện tử độc đáo của chúng, như lần đầu tiên được phát hiện trong các vật liệu như graphene năm 2004. Một số vật liệu này có thể là đặc biệt dễ bị thay đổi tính chất vật liệu của chúng khi chúng được kéo dài và kéo. Dưới sự căng thẳng được áp dụng, chúng đã được dự đoán sẽ trải qua các giai đoạn chuyển tiếp khác nhau như siêu dẫn trong một khoảnh khắc để không dẫn điện tiếp theo, hoặc mờ đục trong một khoảnh khắc để minh bạch trong lần tiếp theo.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu của Đại học Rochester đã kết hợp vật liệu 2D với vật liệu oxit theo cách mới, sử dụng nền tảng thiết bị quy mô bóng bán dẫn, để khám phá đầy đủ khả năng của các vật liệu 2D có thể thay đổi này để biến đổi điện tử, quang học, điện toán và một loạt công nghệ khác.

“Chúng tôi đang mở ra một hướng nghiên cứu mới,” Stephen Wu, trợ lý giáo sư về kỹ thuật điện và máy tính và vật lý nói. “Có một số lượng lớn các vật liệu 2D với các thuộc tính khác nhau – và nếu bạn kéo dài chúng, chúng sẽ làm tất cả mọi thứ.”

Nền tảng được phát triển trong phòng thí nghiệm của Wu, được cấu hình giống như các bóng bán dẫn truyền thống, cho phép một mảnh nhỏ của vật liệu 2D được gửi vào vật liệu sắt điện. Điện áp đặt vào điện môi – hoạt động như thiết bị đầu cuối thứ ba của bóng bán dẫn, hoặc cổng – liên kết vật liệu 2D bằng hiệu ứng áp điện, khiến nó bị giãn. Điều đó, đến lượt nó, kích hoạt một sự thay đổi pha có thể thay đổi hoàn toàn cách hành xử của vật chất. Khi tắt điện áp, vật liệu vẫn giữ pha cho đến khi điện áp phân cực ngược được đặt vào, làm cho vật liệu trở lại pha ban đầu.

“Mục tiêu cuối cùng của điện tử hai chiều là lấy tất cả những thứ mà bạn không thể kiểm soát trước đây, như các đặc tính tôpô, siêu dẫn, từ tính và quang học của các vật liệu này, và giờ có thể điều khiển chúng, chỉ bằng cách kéo dài vật liệu trên một con chip, “Wu nói.

“Nếu bạn làm điều này với các vật liệu tôpô, bạn có thể tác động đến máy tính lượng tử hoặc nếu bạn làm điều đó với các vật liệu siêu dẫn, bạn có thể tác động đến các thiết bị điện tử siêu dẫn.”

Trong một bài báo về Công nghệ Nano tự nhiên , Wu và các sinh viên của mình mô tả bằng cách sử dụng một màng mỏng molybdenum ditelluride (MoTe2) hai chiều trong nền tảng thiết bị. Khi được kéo dài và không dãn ra, MoTe2 thay đổi từ vật liệu bán dẫn có độ dẫn điện thấp thành vật liệu bán kim loại dẫn điện cao và trở lại.

“Nó hoạt động giống như một bóng bán dẫn hiệu ứng trường. Bạn chỉ cần đặt điện áp vào cực thứ ba đó, và MoTe2 sẽ kéo dài một chút theo một hướng và trở thành thứ gì đó dẫn điện. Sau đó, bạn kéo nó trở lại theo hướng khác, và tất cả đột nhiên bạn có thứ gì đó có độ dẫn thấp, “Wu nói.

Quá trình hoạt động ở nhiệt độ phòng, ông nói thêm, và đáng chú ý, “chỉ cần một lượng nhỏ sức căng – chúng tôi chỉ kéo dài MoTe2 thêm 0,4 phần trăm để thấy những thay đổi này.”

Định luật Moore nổi tiếng dự đoán rằng số lượng bóng bán dẫn trong một mạch tích hợp dày đặc sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm.

Tuy nhiên, khi công nghệ gần đạt đến giới hạn mà các bóng bán dẫn truyền thống có thể được thu nhỏ kích thước – khi chúng ta đi đến cuối luật Moore – công nghệ được phát triển trong phòng thí nghiệm của Wu có thể có ý nghĩa sâu rộng trong việc vượt qua những hạn chế này khi tìm kiếm mạnh mẽ hơn bao giờ hết, điện toán nhanh hơn tiếp tục.

Nền tảng của Wu có tiềm năng thực hiện các chức năng tương tự như một bóng bán dẫn với mức tiêu thụ điện năng ít hơn nhiều vì không cần nguồn điện để duy trì trạng thái dẫn điện. Hơn nữa, nó giảm thiểu rò rỉ dòng điện do độ dốc mà tại đó thiết bị thay đổi độ dẫn với điện áp cổng được áp dụng. Cả hai vấn đề này – tiêu thụ điện năng cao và rò rỉ dòng điện – đã hạn chế hiệu suất của các bóng bán dẫn truyền thống ở cấp độ nano.

“Đây là cuộc biểu tình đầu tiên,” Wu nói thêm. “Bây giờ, các nhà nghiên cứu phải tìm ra nó đi được bao xa.”

Một lợi thế của nền tảng của Wu là nó được cấu hình giống như một bóng bán dẫn truyền thống, giúp cuối cùng dễ dàng thích nghi với các thiết bị điện tử hiện tại. Tuy nhiên, cần nhiều công việc hơn trước khi nền tảng đạt đến giai đoạn đó. Hiện tại thiết bị chỉ có thể hoạt động 70 đến 100 lần trong phòng thí nghiệm trước khi thiết bị hỏng. Mặc dù độ bền của các ký ức không bay hơi khác, như flash, cao hơn nhiều, chúng cũng hoạt động chậm hơn nhiều so với tiềm năng cuối cùng của các thiết bị dựa trên biến dạng đang được phát triển trong phòng thí nghiệm của Wu.

“Tôi có nghĩ đó là một thách thức có thể vượt qua không? Hoàn toàn”, Wu, người sẽ giải quyết vấn đề với Hesam Askari, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Rochester, cũng là đồng tác giả của bài báo. “Đó là một vấn đề kỹ thuật vật liệu mà chúng ta có thể giải quyết khi chúng ta tiến lên trong sự hiểu biết về cách thức hoạt động của khái niệm này.”

Họ cũng sẽ khám phá bao nhiêu biến dạng có thể được áp dụng cho các vật liệu hai chiều khác nhau mà không làm cho chúng bị phá vỡ. Xác định giới hạn cuối cùng của khái niệm này sẽ giúp hướng dẫn các nhà nghiên cứu đến các vật liệu thay đổi pha khác khi công nghệ tiến lên

Wu, người đã hoàn thành bằng tiến sĩ vật lý tại Đại học California, Berkeley, là một học giả sau tiến sĩ tại Khoa Khoa học Vật liệu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne trước khi ông gia nhập Đại học Rochester với tư cách trợ lý giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính Khoa Vật lý năm 2017.

Anh bắt đầu với một sinh viên đại học duy nhất trong phòng thí nghiệm của mình – Arfan Sewaket ’19, người đang trải qua mùa hè với tư cách là Nghiên cứu viên của Xerox. Cô đã giúp Wu thành lập một phòng thí nghiệm tạm thời, sau đó là người đầu tiên thử nghiệm khái niệm thiết bị và là người đầu tiên chứng minh tính khả thi của nó.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Rochester . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.


Tạp chí tham khảo :

  1. Wenhui Hou, Ahmad Azizimanesh, Arfan Sewaket, Tara Peña, Carla Watson, Ming Liu, Hesam Askari, Stephen M. Wu. Transitor thay đổi pha sắt điện áp MoTe2 không biến động ở nhiệt độ phòng . Công nghệ nano tự nhiên , 2019; DOI: 10.1038 / s41565-019-0466-2

Bài viết liên quan

Bài viết khác