I fisici di UT Dallas hanno pubblicato nuove scoperte che esaminano le proprietà elettriche dei materiali che potrebbero essere sfruttati per i transistor e l'elettronica di prossima generazione.

Dottor Fan Zhang, professore assistente di fisica, e lo studente di fisica senior Armin Khamoshi hanno recentemente pubblicato la loro ricerca sui dichalcogenuri dei metalli di transizione, o TMD, nel diario Comunicazioni sulla natura . Zhang è un autore corrispondente, e Khamoshi è un co-autore principale del documento, che include anche scienziati che collaborano alla Hong Kong University of Science and Technology.

Negli ultimi anni, scienziati e ingegneri si sono interessati ai TMD in parte perché sono superiori in molti modi al grafene, uno spessore di un atomo, foglio bidimensionale di atomi di carbonio disposti in un reticolo. Da quando è stato isolato per la prima volta nel 2004, il grafene è stato studiato per il suo potenziale per sostituire i semiconduttori convenzionali nei transistor, riducendoli ulteriormente di dimensioni. Il grafene è un conduttore eccezionale, un materiale in cui gli elettroni si muovono facilmente, con elevata mobilità.

"Si pensava che il grafene potesse essere utilizzato nei transistor, ma nei transistor devi essere in grado di accendere e spegnere la corrente elettrica, " ha detto Zhang. "Con il grafene, però, la corrente non può essere facilmente disattivata."

Oltre il grafene

Nella loro ricerca di alternative, scienziati e ingegneri si sono rivolti ai TMD, che può anche essere trasformato in sottile, fogli bidimensionali, o monostrati, solo poche molecole di spessore.

"I TMD hanno qualcosa che il grafene non ha:un gap energetico che consente di controllare il flusso di elettroni, per l'accensione e lo spegnimento della corrente, "Ha detto Khamoshi. "Questo divario rende i TMD ideali per l'uso nei transistor. I TMD sono anche ottimi assorbitori di luce polarizzata circolarmente, quindi potrebbero essere utilizzati nei rilevatori. Per queste ragioni, questi materiali sono diventati un argomento di ricerca molto popolare".

Una delle sfide è ottimizzare e aumentare la mobilità degli elettroni nei materiali TMD, un fattore chiave se devono essere sviluppati per l'uso nei transistor, ha detto Khamoshi.

Nel loro progetto più recente, Zhang e Khamoshi hanno fornito il lavoro teorico per guidare il gruppo di Hong Kong sulla costruzione strato per strato di un dispositivo TMD e sull'uso dei campi magnetici per studiare come gli elettroni viaggiano attraverso il dispositivo. Ogni monostrato di TMD ha uno spessore di tre molecole, e gli strati sono stati inseriti tra due fogli di molecole di nitruro di boro.

"Il comportamento degli elettroni controlla il comportamento di questi materiali, " ha detto Zhang. "Vogliamo fare uso di elettroni altamente mobili, ma è molto impegnativo. I nostri collaboratori a Hong Kong hanno compiuto progressi significativi in ​​quella direzione escogitando un modo per aumentare significativamente la mobilità degli elettroni".

Il team ha scoperto che il comportamento degli elettroni nei TMD dipende dal fatto che sia stato utilizzato un numero pari o dispari di strati TMD.

"Questo comportamento dipendente dallo strato è una scoperta molto sorprendente, " Zhang ha detto. "Non importa quanti strati hai, ma piuttosto, se ci sono un numero pari o dispari di strati."

Fisica degli elettroni

Poiché i materiali TMD operano sulla scala dei singoli atomi ed elettroni, i ricercatori hanno incorporato la fisica quantistica nelle loro teorie e osservazioni. A differenza della fisica classica, che descrive il comportamento di oggetti di grandi dimensioni che possiamo vedere e toccare, la fisica quantistica governa il regno delle particelle molto piccole, compresi gli elettroni.

Sulla scala delle dimensioni dei dispositivi elettrici di tutti i giorni, gli elettroni che scorrono attraverso i fili si comportano come un flusso di particelle. Nel mondo quantistico, però, gli elettroni si comportano come onde, e la conduttanza elettrica trasversale del materiale bidimensionale in presenza di un campo magnetico non è più come un flusso:cambia in passi discreti, ha detto Zhang. Il fenomeno è chiamato conduttanza di Hall quantistica.

"La conduttanza di Quantum Hall potrebbe cambiare un passo dopo l'altro, o due passi per due passi, e così via, " ha detto. "Abbiamo scoperto che se usassimo un numero pari di livelli TMD nel nostro dispositivo, c'era una conduttanza quantistica a 12 fasi. Se gli applicassimo un campo magnetico abbastanza forte, cambierebbe di sei passi alla volta."

L'uso di un numero dispari di strati combinato con un basso campo magnetico ha portato anche a una conduttanza di Hall quantistica a 6 fasi nei TMD, ma sotto campi magnetici più forti, è diventato un fenomeno 3-step by 3-step.

"Il tipo di conduttanza di Hall quantistica che abbiamo previsto e osservato nei nostri dispositivi TMD non è mai stato trovato in nessun altro materiale, " Zhang ha detto. "Questi risultati non solo decifrano le proprietà intrinseche dei materiali TMD, ma dimostrano anche che abbiamo raggiunto un'elevata mobilità degli elettroni nei dispositivi. Questo ci fa sperare che un giorno potremo usare i TMD per i transistor".