Architetture di dispositivi elettronici più veloci sono in vista con la presentazione del primo transistor ad effetto di campo (FET) completamente bidimensionale al mondo da parte dei ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). A differenza dei FET convenzionali in silicio, questi FET 2D non subiscono alcun calo delle prestazioni sotto tensioni elevate e forniscono un'elevata mobilità degli elettroni, anche quando ridimensionato a un monostrato di spessore.

Ali Javey, uno scienziato della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e un professore di ingegneria elettrica e informatica alla UC Berkeley, ha condotto questa ricerca in cui le eterostrutture 2D sono state fabbricate da strati di un dicalcogenuro di metallo di transizione, nitruro di boro esagonale e grafene impilati tramite interazioni di van der Waals.

"Il nostro lavoro rappresenta un importante trampolino di lancio verso la realizzazione di una nuova classe di dispositivi elettronici in cui le interfacce basate sulle interazioni di van der Waals piuttosto che sul legame covalente forniscono un grado di controllo senza precedenti nell'ingegneria dei materiali e nell'esplorazione dei dispositivi, " Dice Javey. "I risultati dimostrano la promessa di utilizzare un sistema di materiali a strati per future applicazioni elettroniche".

Javey è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca in ACS Nano intitolato "Transistor ad effetto di campo realizzati con tutti i componenti di materiale bidimensionale". I coautori sono Tania Roy, Mahmut Tosun, Jeong Seuk Kang, Angada Sachid, Sujay Desai, Mark Hettick e Chenming Hu.

FET, così chiamato perché un segnale elettrico inviato attraverso un elettrodo crea una corrente elettrica in tutto il dispositivo, sono uno dei pilastri dell'industria elettronica, onnipresente per i computer, telefono cellulare, compresse, pastiglie e praticamente ogni altro dispositivo elettronico ampiamente utilizzato. Tutti i FET sono costituiti da gate, elettrodi di source e drain collegati da un canale attraverso il quale scorre un portatore di carica, sia elettroni che lacune. I disallineamenti tra la struttura cristallina e i reticoli atomici di questi singoli componenti determinano superfici ruvide - spesso con legami chimici penzolanti - che degradano la mobilità dei portatori di carica, soprattutto ad alti campi elettrici.

"Nel costruire i nostri FET 2D in modo che ogni componente sia realizzato con materiali stratificati con interfacce van der Waals, forniamo una struttura del dispositivo unica in cui lo spessore di ogni componente è ben definito senza alcuna rugosità superficiale, nemmeno a livello atomico, " Dice Javey. "Il legame van der Waals delle interfacce e l'uso di un processo di trasferimento multi-step presentano una piattaforma per realizzare dispositivi complessi basati su strati cristallini senza i vincoli dei parametri reticolari che spesso limitano la crescita e le prestazioni dell'eterogiunzione convenzionale materiali."

Javey e il suo team hanno fabbricato i loro FET 2D utilizzando il dichalcogenuro di molibdeno disolfuro di metallo di transizione come canale che trasporta gli elettroni, nitruro di boro esagonale come isolante di gate, e grafene come fonte, elettrodi di drain e gate. Tutti questi materiali costitutivi sono cristalli singoli tenuti insieme dal legame di van der Waals.

Per i FET 2D prodotti in questo studio, l'esfoliazione meccanica è stata utilizzata per creare i componenti stratificati. Nel futuro, Javey e il suo team esamineranno la crescita di questi strati eterogenei direttamente su un substrato. Cercheranno anche di ridurre lo spessore dei singoli componenti a un monostrato e le lunghezze dei canali a dimensioni su scala molecolare.