Gebruik van Getwiste 2D Materialen om Elektronica te Revolutioneren

Nanotechnologie verwijst naar de manipulatie van materie op de schaal van een paar nanometers (nm). Voor context, een vel papier is ruwweg 100.000nm dik. Door de unieke fenomena die op deze schaal ontstaan te meesteren, kunnen wetenschappers apparaten ontwikkelen die kleiner, sneller en meer energie-efficiënt zijn.

Bij IBM Research, en met ondersteuning van overheids partners, sonderen onderzoekers de nanoscale om stroomdichtheid en energie-efficiëntie over het hele spectrum van elektronica te boosten - van smartphones en IoT sensoren tot de massive cloud datacenters die het internet aandrijven.

Figuur 1: Een nano-grootte sleutelvormig apparaat dat 0°-360° kan roteren, functionerend als een schakelaar om de stroom in een tunnel field-effect transistor (TFET) te controleren.

Een pionerende inspanning wordt geleid door Dr. Elad Koren van IBM's Zürich lab. Gefinancierd door het Swiss National Science Foundation's Ambizione programma, onderzoekt het team de fundamentele fysica van het stapelen van twee-dimensionale (2D) materialen, met een bijzondere focus op grafeen.

Grafeen's uitzonderlijke elektronische eigenschappen maken het een voorloper voor toekomstige halfgeleider en kwantum apparaten. Wanneer twee identieke grafeen lagen op precieze relatieve hoeken gestapeld worden, vormen ze periodieke superlattices die een bandgap kunnen openen - een essentiële stap naar het creëren van next-generation transistors die zowel krachtig als energie-efficiënt zijn.

In september 2016 publiceerden Koren en collega's hun eerste resultaten in het peer-reviewed tijdschrift Nature Nanotechnology. Gebruikmakend van de tip van een atomic force microscoop, bereikten ze sub-graad controle over de rotatie-uitleening van de lagen, producerend het sleutelvormige apparaat getoond in Figuur 1.

Het apparaat kan door een volle 360° roteren, fungerend als een ultra-precieze schakelaar voor een TFET. Deze capaciteit is cruciaal voor het minimaliseren van lekkagestromen en het verminderen van het algehele energieverbruik van elektronische circuits.

"Wij hebben ongekende nauwkeurigheid bereikt in het controleren van de rotatieconfiguratie met een hoekresolutie beter dan 0,1°, wat zowel fundamentele studies als de realisatie van praktische apparaten mogelijk maakt," zei Koren.

Gemeten stroom door de getwiste grafiet nanostructuur bij een bias van 50mV tijdens continue rotatie van de hefboomarm. Inset: momentum-ruimte representatie van bilayer grafeen koppeling op commensurate twist hoeken van 21,8° en 38,2°.

Precieze controle over de stapelhoek stelt ingenieurs in staat een breed scala aan fysieke eigenschappen te maatwerken - elektronische, optische, thermo-elektrische en electromechanische - wat avenues opent voor innovatieve materialen over wetenschap en technologie.

Wanneer een enkele kristalcel getwist wordt, genereert het een hoog magnetisch flux dat de Hofstadter's vlinder doet ontstaan - een theoretisch patroon dat elektrongedrag in sterke magnetische velden gecombineerd met periodieke potentiën beschrijft.

Wrijving blijft een uitdaging zelfs op de nanoscale, waar het hitte, slijtage en energieverlies kan genereren. Echter, de rotatie mismatch in 2D gelaagde systemen onderdrukt wrijving dramatisch, een fenomeen bekend als superlubriciteit.

"Er is virtually geen wrijving - eenmaal je de juiste hoek vindt, glijden de lagen soepel," legde Koren uit.

Door deze bevindingen met de bredere onderzoeksgemeenschap te delen, hoopt Koren novel materiaal en device concepten te inspireren die de toekomst van elektronica zullen vormen.