La ricerca sull'utilizzo di materiali bidimensionali (2-D) per i dispositivi di uso quotidiano ha avuto alcuni alti e bassi. Però, il settore emergente della valleytronics sta utilizzando i trogoli di energia per offrire un potenziale rinnovato.

Secondo Johnson Goh, uno scienziato senior presso l'Istituto di ricerca e ingegneria dei materiali di A*STAR, Il 2-D e altri materiali molto sottili potrebbero presto utilizzare la Valleytronics per trasmettere informazioni. Goh afferma che una combinazione di metodi di produzione di materiali 2D sempre più convenienti e l'applicazione di tecniche come la Valleytronics potrebbe agire insieme rapidamente per ridurre le dimensioni dei dispositivi e le esigenze di consumo energetico.

L'idea di base è di far passare le informazioni attraverso materiali bidimensionali e altri materiali conduttori molto sottili utilizzando le "valli" di energia (o estremi di energia) nelle loro bande di conduzione e valenza (le bande di energia attorno alle quali gli elettroni orbitano attorno al nucleo di un atomo). Informazione, dice Goh, può essere trasmessa controllando l'associazione di un elettrone con una valle, una manipolazione che può essere ottenuta utilizzando campi elettrici, campi magnetici e luce polarizzata circolarmente.

Per esempio, in bisolfuro di molibdeno, che è un materiale 2-D, la presenza di due valli non equivalenti significa che l'informazione può essere memorizzata in modo binario in base a quale valle risiede un elettrone:una valle potrebbe rappresentare uno zero, mentre l'altro potrebbe rappresentarne uno. Queste informazioni possono quindi essere utilizzate per il calcolo o la memoria.

Più veloce, meglio, più forte:semiconduttori 2-D e valleytronics

Goh sostiene che una combinazione di valletronica e materiali 2-D o molto sottili consentirà un'intera serie di funzionalità nei dispositivi nanoelettronici e nanofotonici che non possono essere ottenute con la tecnologia dei semiconduttori a base di silicio esistente. Per esempio, Valleytronics consentirebbe di manipolare il trasporto di elettroni in materiali 2-D a energie inferiori rispetto ai dispositivi convenzionali.

Le informazioni vengono trasmesse nella maggior parte dei dispositivi odierni utilizzando un flusso di elettroni carichi. Oltre a richiedere spesso più elettroni per comunicare, questo metodo soffre di un "affollamento" di elettroni e il loro urto provoca dispersione e una certa perdita di energia degli elettroni sotto forma di calore. In Valleytronics, d'altra parte, le perdite di dispersione possono essere soppresse perché gli elettroni nelle valli di energia sono in qualche modo protetti dagli urti.

I dati possono anche essere archiviati in modo più robusto nei materiali Valleytronics rispetto ai sistemi di archiviazione dati convenzionali, Dio dice. "La valle è una proprietà di tutto il materiale, e quindi gli stati vallivi vengono distrutti solo se il materiale viene significativamente modificato o cessa di esistere, " spiega. "Quindi, invece di codificare le informazioni su cariche elettriche che possono essere perse a causa della dispersione, la codifica delle informazioni sugli stati della valle dovrebbe essere più duratura a causa dell'accoppiamento unico dello spin dell'elettrone alla valle".

Attualmente, Goh e altri ricercatori dell'IMRE stanno progettando una serie di nuovi e utili semiconduttori 2-D per questa tecnologia regolando la loro composizione per regolare i gap di banda e quindi controllare le loro proprietà di conduzione.

Però, creare un sistema informativo binario utilizzando gli stati di valle di un materiale 2-D, è anche fondamentale differenziare a quale valle è associata una carica utilizzando il "contrasto di valle", che sono spin opposti ospitati da valli con indici opposti. Dicalcogenuri di metalli di transizione, come il bisolfuro di molibdeno, si sono rivelati utili al team in quanto questi hanno già due valli distinte con contrasto intrinseco, eliminando la necessità di riprogettare questi materiali per avere questa proprietà.

Goh e il suo team stanno anche cercando di aggiungere all'elenco noto di materiali con questa proprietà chiave. Negli ultimi due anni, in collaborazione con l'Università Nazionale di Singapore, hanno messo insieme una suite di strumenti per dimensionare i materiali 2-D per il loro contrasto di valle.

Materiali 2-D di grandi dimensioni pronti per il mercato

Allo stesso tempo, I colleghi di Goh stanno affrontando uno dei principali ostacoli alla commercializzazione di questa tecnologia. Trovare metodi di produzione affidabili e scalabili per l'elettronica su larga scala richiede tecniche in grado di formare materiali 2-D con spessore uniforme e proprietà elettriche su aree grandi almeno quanto un wafer da quattro pollici:la dimensione del substrato standard utilizzata nell'industria elettronica.

Per fare questo, Goh si è rivolto al collega IMRE Dongzhi Chi, che sta trovando il modo di produrre materiali semiconduttori 2-D di grandi dimensioni utilizzando un metodo noto come deposizione chimica da vapore. Questa tecnica forma i materiali esponendo un substrato ad alta temperatura ai gas che trasportano gli atomi desiderati.

Chi e il suo team hanno già ottenuto importanti successi nel controllo della diffusione della concentrazione dei vapori chimici del disolfuro di molibdeno durante questo processo. Introducendo una sottile trappola a barriera in schiuma di ossido di nichel per abbassare le concentrazioni chimiche nel vapore, hanno migliorato l'uniformità e la qualità del materiale di deposizione. "Il vantaggio di questo approccio rispetto ad altri è la facilità, "dice Chi, "utilizza polveri chimiche a bassa tossicità e minima introduzione di specie chimiche oltre agli elementi chimici nel materiale stesso depositato, molibdeno e zolfo."

Dispositivi di prova del concetto

Goh afferma che il suo team sta cercando di dimostrare i loro primi dispositivi proof-of-concept entro l'inizio del 2019. Dice che questi includeranno dispositivi che utilizzano la Valleytronics per fare cose semplici, come accendere o spegnere un dispositivo.

Però, aggiunge che se gli elettroni della valle vengono messi in stati di sovrapposizione, potrebbero produrre un qubit, l'unità fondamentale per l'informatica quantistica. Infatti, Goh vede i maggiori vantaggi futuri per la Valleytronics nelle sue possibili applicazioni all'"elettronica come l'edge computing a bassa potenza e, infine, il robusto calcolo quantistico".

Dispositivi più piccoli significano distanze minori per le informazioni da percorrere e quindi la valleytronica e l'informatica quantistica offrono entrambi vantaggi nella velocità di elaborazione dei dati. Questo è stato notato da persone che cercano di sfruttare la rotazione degli atomi per l'informatica quantistica. Però, la valletronica potrebbe avere un vantaggio sulla spintronica poiché lo spin quantistico è fortemente legato ai campi magnetici, che può introdurre problemi di stabilità che non sono così problematici in Valleytronics.

A causa di ciò, Goh pensa che realizzare computer quantistici che utilizzino gli stati di valle sarà la chiave per aprire l'intero campo dei materiali 2-D per la commercializzazione. "Il calcolo quantistico ci aiuterà a mostrare i vantaggi dei materiali 2-D rispetto all'elettronica classica. In caso di successo, le aziende potrebbero essere più disposte a investire nell'infrastruttura necessaria per sviluppare materiali 2-D ancora più performanti e trasformarli in tecnologie davvero dirompenti".