Hoeken gebruiken om de toekomst van elektronica te verbeteren

Nanotechnologie is een term die van toepassing is op een groot aantal gebieden, van kleding en autolakken tot sportuitrusting en elektronica. Uiteindelijk verwijst het allemaal naar een grootte, de nanometer (nm) en het vermogen van de mensheid om de unieke fenomenen die zich in deze dimensie voordoen, te begrijpen, te beheersen en te manipuleren. Voor perspectief is een vel papier ongeveer 100.000 nm dik. (klik voor een interactieve IBM-nanotechnologie-tijdlijn)

Bij IBM Research en, in sommige projecten, met de steun van overheidsfinanciering, onderzoeken wetenschappers de nanoschaal om de vermogensdichtheid en energie-efficiëntie van elektronische apparaten te verbeteren, inclusief alles van mobiele telefoons tot IoT-sensoren tot gigantische clouddatacenters.

Fig 1 :Het sleutelvormige apparaat van nanoformaat kan als handen op een slot van 0 tot 360 graden worden gedraaid, wat kan worden gebruikt als een schakelaar om de stroom van een tunnelveldeffecttransistor in en uit te schakelen.

Een zo'n project wordt geleid door wetenschapper Elad Koren van het IBM-lab in Zürich. In het project, dat wordt gefinancierd in het kader van het Ambizione-programma van de Swiss National Science Foundation (SNSF), richt het team zich op het begrijpen van de basisfysica van het stapelen van 2D-materialen, inclusief het momenteel populaire grafeen.

Hoewel er veel hype is rond grafeen, wordt het vanwege zijn superieure elektronische eigenschappen beschouwd als een van de meest veelbelovende materialen voor toekomstige elektronische halfgeleider- en kwantumapparaten. Het vertoont ook rijke fysieke eigenschappen, afhankelijk van hoe het op een ander 2D-kristal is gestapeld, en hier wordt het echt interessant en een beetje ingewikkeld.

Wanneer de twee gestapelde lagen van hetzelfde materiaal zijn gemaakt, zoals grafeen, zal een speciale reeks periodieke 2D-superroosters onder bepaalde hoeken tevoorschijn komen. Een dergelijke mismatch kan ook een bandgap veroorzaken in dubbellaagse grafeensystemen, wat een van de eerste stappen vormt naar het bouwen van transistorachtige apparaten voor elektronische apparaten van de volgende generatie die krachtiger en toch energiezuiniger zijn.

Koren en zijn collega's publiceerden hun eerste resultaten in het septembernummer van 2016 van het peer-reviewed tijdschrift Nature Nanotechnology . In de paper demonstreerde het team hoe ze met behulp van de scherpe punt van een atoomkrachtmicroscoop precies kunnen controleren wat lijkt op een gewone huissleutel (Fig. 1).

Het sleutelvormige apparaat van nanoformaat kan als handen op een slot van 0 tot 360 graden worden gedraaid, wat kan worden gebruikt als een schakelaar om de stroom van een tunnelveldeffecttransistor (TFET) in en uit te schakelen, een belangrijke stap in het verminderen van energielekkage in elektronische apparaten.

"We hebben een ongekende nauwkeurigheid bereikt bij het regelen van de rotatieconfiguratie met een hoekresolutie - beter dan 0,1 graad. Dit stelt ons in staat om zowel de fundamentele aard van de stack te verkennen als het volledige potentieel ervan te realiseren”, aldus Koren.

Gemeten stroom stroomt door de gedraaide grafiet-nanostructuur met een biaspotentiaal van V =50 mV terwijl de hefboomarm continu wordt gedraaid. Inzet:momentum-ruimteweergave van dubbellaagse grafeenkoppeling bij evenredige draaihoeken θ =21,8 ° en 38,2 °.

De mogelijkheid om de stapelconfiguratie met hoge hoeknauwkeurigheid te regelen, maakt het mogelijk om veel fysieke eigenschappen te controleren en te engineeren en om nieuwe nieuwe materialen te realiseren op verschillende gebieden in wetenschap en technologie, zoals:elektronica, optica, thermo-elektrische en elektromechanica.

Het apparaat maakt ook een hoge magnetische flux mogelijk binnen een enkele kristalcel die de beroemde vlinder van Hofstadter produceert, het theoretische gedrag van elektronen onder een sterk magnetisch veld en een periodieke potentiaal.

De wrijvingswetten ontsnappen niet aan het nanoregime en zelfs op deze kleine schaal wordt wrijving een uitdaging voor het sleutelvormige apparaat en zoals we weten, veroorzaakt wrijving warmte, slijtage en dissipeert energie - een ongelukkige eigenschap op deze schaal.

Het is ongelooflijk dat de rotatiemismatch in 2D-gelaagde systemen de wrijving en energiedissipatie sterk onderdrukt, een effect dat bekend staat als superlubricity.

“Er is vrijwel geen wrijving. Het is gewoon gebaseerd op het vinden van de juiste hoek”, voegt Koren toe.

Koren hoopt dat door het delen van zijn onderzoek met anderen in het veld, het zal leiden tot nieuwe materiaal- en apparaatontwerpen.