Ricerca condotta dal Dr. Rafik Addou (da sinistra), Dottoressa Moon Kim, Il dottor Robert Wallace e lo studente laureato Hui Zhu hanno dimostrato un modo pratico per creare dispositivi nanoelettronici uno strato atomico alla volta.
Il campo della meccanica quantistica si occupa di materiali a dimensioni atomiche, e le grandi scoperte spesso avvengono su scala molto ridotta. Ricercatori della Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, in collaborazione con un team internazionale di ingegneri e scienziati, hanno scoperto un fenomeno che potrebbe avere importanti implicazioni per lo sviluppo di circuiti e dispositivi nanoelettronici.
In un recente articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , i ricercatori descrivono per la prima volta come cresciuto e impilato, i materiali atomicamente sottili possono esibire un effetto di trasporto unico, chiamata resistenza differenziale negativa, o NDR, a temperatura ambiente.
L'NDR è un fenomeno in cui gli elettroni, per la loro natura ondulatoria, tunnel attraverso materiali sottili con resistenza variabile.
"Tutto inizia con materiali chiamati dicalogenuri di metalli di transizione, o TMD, che può formare uno strato atomicamente sottile che si comporta come un interruttore a semiconduttore, " ha detto il co-autore Dr. Robert Wallace, che è professore di scienza e ingegneria dei materiali e detiene la cattedra distintiva Erik Jonsson presso UT Dallas. "I TMD vengono ora esplorati per vedere se possono essere utilizzati per produrre il massimo in termini di bassa potenza, tecnologia dei transistor ad alta velocità."
Questa esplorazione è degna di nota per gli ingegneri elettronici interessati ai futuri transistor. Quando cresciuto in strati atomicamente sottili, le superfici dei TMD dovrebbero essere semiconduttori perfetti per transistor atomicamente sottili, idealmente senza difetti, consentendo un comportamento di "accensione" e "spegnimento" superveloce a bassissime tensioni.
"Se realizzato, questi materiali potrebbero rivoluzionare il settore dell'elettronica e abilitare dispositivi portatili ancora più performanti come gli smartphone e l'Internet of Things. La loro natura di strato atomicamente sottile dà origine al concetto di materiali semiconduttori bidimensionali, " ha detto Wallace.
Lo studente laureato UT Dallas Hui Zhu è stato coautore del documento pubblicato in Comunicazioni sulla natura .
Dottor Moon Kim, che detiene la prestigiosa cattedra Louis Beecherl Jr. ed è professore di scienza e ingegneria dei materiali presso UT Dallas, era un co-autore sulla carta.
"Questa ricerca è la prima del suo genere nel dimostrare un modo pratico di fabbricare dispositivi nanoelettronici da uno strato atomico alla volta piuttosto che impilare meccanicamente strati atomicamente sottili, " Kim ha detto. "Una stretta collaborazione tra ricercatori con competenze complementari come la fabbricazione di dispositivi, la caratterizzazione e la teoria su scala atomica hanno reso possibile questa ricerca".
L'effetto NDR è stato osservato per la prima volta quando è stata applicata una tensione a strutture costituite da strati dello spessore di un atomo che consistevano in diversi materiali TMD. Ciò che ha attirato l'attenzione dei ricercatori è stato un picco acuto e una valle nelle misurazioni elettriche dove normalmente ci sarebbe una pendenza regolare verso l'alto.
Nello spiegare i risultati, i ricercatori si sono resi conto che stavano vedendo una versione 2-D di un diodo tunnel risonante, un dispositivo meccanico quantistico che funziona a bassa potenza. Il team si è reso conto di aver costruito il diodo tunnel risonante più sottile al mondo, e che funzionava a temperatura ambiente.
"Questo lavoro collaborativo rappresenta un importante traguardo nella realizzazione di utili circuiti integrati 2-D. La capacità di osservare il comportamento risonante a temperatura ambiente punta verso le possibilità di metodi di fabbricazione di dispositivi scalabili che sono più compatibili con gli interessi industriali, " ha affermato Wallace. "La sfida che dobbiamo affrontare ora include il miglioramento ulteriore dei materiali 2-D cresciuti e l'ottenimento di prestazioni migliori per le future applicazioni dei dispositivi".
