Vista in sezione trasversale della pila di materiali bidimensionali. L'elettrolita monostrato nel mezzo consente agli ioni (sfere rosa) di essere alternati tra due posizioni. La posizione degli ioni determina lo stato della memoria. Credito:Fullerton Group
Negli ultimi sessant'anni, l'industria elettronica e il consumatore medio hanno beneficiato della continua miniaturizzazione, maggiore capacità di archiviazione e riduzione del consumo energetico dei dispositivi elettronici. Però, questa era di ridimensionamento che ha beneficiato l'umanità sta rapidamente volgendo al termine. Per continuare a ridurre le dimensioni e il consumo energetico dell'elettronica, sono necessari nuovi materiali e nuovi approcci ingegneristici.
Susan Fullerton, assistente professore di ingegneria chimica e petrolifera presso la Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh, sta affrontando questa sfida sviluppando un'elettronica di nuova generazione basata su tutti i materiali bidimensionali. Questi materiali "tutti 2-D" sono simili a un foglio di carta, se la carta fosse spessa solo una singola molecola. La sua ricerca su questi materiali supersottili è stata riconosciuta dalla National Science Foundation con un $ 540, 000 premio CARRIERA, che supporta i docenti all'inizio della carriera che hanno il potenziale per fungere da modelli di ruolo accademici nella ricerca e nell'istruzione e per guidare i progressi nella missione del loro dipartimento o organizzazione.
"L'avvento di nuovi paradigmi di elaborazione sta spingendo il limite di ciò che i tradizionali dispositivi a semiconduttore possono fornire, "Il dottor Fullerton ha detto. "Per esempio, l'apprendimento automatico richiederà velocità di risposta di nanosecondi, funzionamento sub-volt, 1, 000 distinti stati di resistenza, e altri aspetti che nessuna tecnologia di dispositivo esistente può fornire.
"Sappiamo da molto tempo che gli ioni, come quelli delle batterie agli ioni di litio, sono molto bravi a controllare il movimento della carica in questi semiconduttori ultrasottili, " ha osservato. "In questo progetto, stiamo reinventando il ruolo degli ioni nell'elettronica ad alte prestazioni. Stratificando strati successivi delle dimensioni di una molecola uno sopra l'altro, miriamo ad aumentare la capacità di stoccaggio, diminuire il consumo di energia, e accelerare notevolmente la velocità di elaborazione."1
Per costruire questo dispositivo tutto 2-D, Fullerton e il suo gruppo hanno inventato un nuovo tipo di materiale contenente ioni, o elettrolita, che è spessa solo una singola molecola. Questo "elettrolita monostrato" introdurrà infine nuove funzioni che possono essere utilizzate dalla comunità dei materiali elettronici per esplorare le proprietà fondamentali di nuovi materiali semiconduttori e per sviluppare dispositivi elettronici con caratteristiche del dispositivo completamente nuove.
Schema del dispositivo di memoria nanoionico da sviluppare in questo premio alla CARRIERA. Fogli molecolarmente sottili sono impilati uno sopra l'altro per creare una memoria ultrasottile basata su ioni che interagiscono con materiali bidimensionali. Credito:Fullerton Group
Secondo il dottor Fullerton, ci sono diversi importanti spazi applicativi in cui i materiali e gli approcci sviluppati in questa ricerca CARRIERA potrebbero avere un impatto:archiviazione delle informazioni, informatica ispirata al cervello, e sicurezza, in particolare.
Oltre a sviluppare gli elettroliti monostrato, il premio NSF sosterrà un dottorato di ricerca. studente e ricercatore post-dottorato, così come un programma di sensibilizzazione per ispirare la curiosità e il coinvolgimento degli studenti K-12 e sottorappresentati nei materiali per l'elettronica di prossima generazione. Nello specifico, Il Dr. Fullerton ha sviluppato un'attività in cui gli studenti possono osservare gli elettroliti polimerici utilizzati in questo studio cristallizzarsi in tempo reale utilizzando una fotocamera economica collegata a uno smartphone o un iPad. Il premio CARRIERA consentirà al Dr. Fullerton di fornire questo microscopio alle classi in modo che gli insegnanti possano continuare a esplorare con i loro studenti.
"Quando gli studenti hanno in mano quel microscopio portatile, diventano davvero creativi, " ha detto. "Dopo aver visto cosa succede al polimero, vanno in esplorazione. Guardano la pelle del braccio, la gomma da masticare fuori dalla loro bocca, o i dettagli del tessuto sui loro vestiti. È incredibile vedere questo strumento relativamente economico suscitare curiosità nei materiali che li circondano, e questo è l'obiettivo principale".
La dott.ssa Fullerton ha notato che la sua ricerca adotta un approccio davvero nuovo all'utilizzo degli ioni, che è stato tradizionalmente evitato dalla comunità dei semiconduttori.
"Gli ioni vengono spesso ignorati perché se non puoi controllare la loro posizione, possono rovinare un dispositivo. Quindi l'idea di usare gli ioni non solo come strumento per esplorare le proprietà fondamentali, ma in quanto componente integrale del dispositivo è estremamente eccitante e rischioso, " ha spiegato il dottor Fullerton. "Se adottato, ioni accoppiati con materiali 2-D potrebbero rappresentare un cambiamento di paradigma nel calcolo ad alte prestazioni perché abbiamo bisogno di materiali nuovi di zecca con nuove eccitanti fisiche e proprietà che non sono più limitate dalle dimensioni".
