Rendering artistico di un materiale 2D in fase di cambiamento di fase utilizzando una piattaforma su scala di transistor sviluppata nel laboratorio di Stephen Wu, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica e fisica presso l'Università di Rochester. Credito:illustrazione dell'Università di Rochester / Michael Osadciw
I materiali bidimensionali (2-D), sottili come un singolo strato di atomi, hanno incuriosito gli scienziati con la loro flessibilità, elasticità, e proprietà elettroniche uniche, come scoperto per la prima volta in materiali come il grafene nel 2004. Alcuni di questi materiali possono essere particolarmente suscettibili ai cambiamenti nelle loro proprietà dei materiali quando vengono allungati e tirati. Sotto sforzo applicato, è stato previsto che subiscano transizioni di fase tanto disparate quanto da superconduttive in un momento a non conduttrici il successivo, o otticamente opaco in un momento per trasparente in quello successivo.
Ora, I ricercatori dell'Università di Rochester hanno combinato materiali 2-D con materiali di ossido in un modo nuovo, utilizzando una piattaforma di dispositivi su scala di transistor, per esplorare completamente le capacità di questi materiali 2-D mutevoli per trasformare l'elettronica, ottica, informatica e una miriade di altre tecnologie.
"Stiamo aprendo una nuova direzione di studio, "dice Stefano Wu, assistente professore di ingegneria elettrica, informatica e fisica. "Esiste un numero enorme di materiali 2-D con proprietà diverse e se li allunghi, faranno di tutto».
La piattaforma sviluppata nel laboratorio di Wu, configurati in modo molto simile ai transistor tradizionali, permette di depositare una piccola scaglia di materiale 2-D su un materiale ferroelettrico. Tensione applicata al ferroelettrico, che agisce come il terzo terminale di un transistor, o gate -sforza il materiale 2-D per effetto piezoelettrico, facendolo allungare. Quella, a sua volta, innesca un cambiamento di fase che può cambiare completamente il comportamento del materiale. Quando la tensione viene tolta, il materiale mantiene la sua fase fino a quando non viene applicata una tensione di polarità opposta, facendo tornare il materiale alla sua fase originale.
"L'obiettivo finale degli straintronics bidimensionali è prendere tutte le cose che prima non potevi controllare, come il topologico, superconduttore, magnetico, e proprietà ottiche di questi materiali, e ora essere in grado di controllarli, semplicemente allungando il materiale su un chip, " dice Wu.
"Se lo fai con materiali topologici potresti avere un impatto sui computer quantistici, o se lo fai con materiali superconduttori puoi avere un impatto sull'elettronica superconduttrice".
In un giornale in Nanotecnologia della natura , Wu e i suoi studenti descrivono l'utilizzo di un film sottile di ditelluride di molibdeno bidimensionale (MoTe2) nella piattaforma del dispositivo. Quando allungato e non allungato, il MoTe2 passa da un materiale semiconduttore a bassa conduttività a un materiale semimetallico altamente conduttivo e viceversa.
"Funziona proprio come un transistor ad effetto di campo. Devi solo mettere una tensione su quel terzo terminale, e il MoTe2 si allungherà un po' in una direzione e diventerà qualcosa che conduce. Poi lo allunghi indietro in un'altra direzione, e all'improvviso hai qualcosa che ha una bassa conduttività, " dice Wu.
Il processo funziona a temperatura ambiente, Aggiunge, e, notevolmente, "richiede solo una piccola quantità di sforzo:stiamo allungando il MoTe2 solo dello 0,4 percento per vedere questi cambiamenti".
La legge di Moore predice notoriamente che il numero di transistor in un denso circuito integrato raddoppi circa ogni due anni.
Però, man mano che la tecnologia si avvicina ai limiti ai quali i transistor tradizionali possono essere ridimensionati - mentre raggiungiamo la fine della legge di Moore - la tecnologia sviluppata nel laboratorio di Wu potrebbe avere implicazioni di vasta portata nel superare queste limitazioni come la ricerca di sempre più potenti, l'elaborazione più veloce continua.
La piattaforma di Wu ha il potenziale per svolgere le stesse funzioni di un transistor con un consumo energetico molto inferiore poiché l'alimentazione non è necessaria per mantenere lo stato di conduttività. Inoltre, riduce al minimo la dispersione di corrente elettrica dovuta alla forte pendenza alla quale il dispositivo cambia conduttività con la tensione di gate applicata. Entrambi questi problemi (alto consumo energetico e dispersione di corrente elettrica) hanno limitato le prestazioni dei transistor tradizionali su scala nanometrica.
"Questa è la prima dimostrazione, " Wu aggiunge. "Ora tocca ai ricercatori capire fino a che punto si spinge".
Un vantaggio della piattaforma di Wu è che è configurato in modo molto simile a un transistor tradizionale, rendendo più facile l'eventuale adattamento all'elettronica attuale. Però, è necessario più lavoro prima che la piattaforma raggiunga quella fase. Attualmente il dispositivo può funzionare solo da 70 a 100 volte in laboratorio prima del guasto del dispositivo. Mentre la resistenza di altre memorie non volatili, come un lampo, sono molto più alti, funzionano anche molto più lentamente del potenziale finale dei dispositivi basati sulla deformazione sviluppati nel laboratorio di Wu.
"Penso che sia una sfida che si può vincere? Assolutamente sì, "dice Wu, che lavorerà al problema con Hesam Askari, un assistente professore di ingegneria meccanica a Rochester, anche un coautore sulla carta. "È un problema di ingegneria dei materiali che possiamo risolvere man mano che avanziamo nella nostra comprensione di come funziona questo concetto".
Esploreranno anche quanta deformazione può essere applicata a vari materiali bidimensionali senza provocarne la rottura. Determinare il limite ultimo del concetto aiuterà a guidare i ricercatori verso altri materiali a cambiamento di fase man mano che la tecnologia avanza
Wu, che ha completato il suo dottorato di ricerca. in fisica all'Università della California, Berkeley, è stato un borsista post-dottorato nella Divisione di Scienza dei Materiali presso l'Argonne National Laboratory prima di entrare a far parte dell'Università di Rochester come assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e il Dipartimento di Fisica nel 2017.
Ha iniziato con un singolo studente universitario nel suo laboratorio:Arfan Sewaket '19, che stava trascorrendo l'estate come Xerox Research Fellow. Ha aiutato Wu a creare un laboratorio temporaneo, poi è stato il primo a provare il concetto di dispositivo e il primo a dimostrarne la fattibilità.
Da allora, quattro studenti laureati nel laboratorio di Wu - l'autore principale Wenhui Hou, Ahmad Azizimanesh, Tara Pen?a, e Carla Watson "hanno fatto così tanto lavoro" per documentare le proprietà del dispositivo e perfezionarlo, creando circa 200 versioni diverse a questo punto, Wu dice. Tutti sono elencati con Sewaket come coautori, insieme ad Askari e Ming Liu della Xi'an Jiaotong University in Cina.