I materiali 2-D potrebbero aiutare a inaugurare un'era di chip e circuiti a semiconduttore a bassa potenza. Credito:Shutterstock
Gli scienziati hanno progettato una struttura multi-stack basata su materiale 2-D comprendente disolfuro di tungsteno (WS 2 ) strato racchiuso tra strati esagonali di nitruro di boro (hBN) che mostra un'interazione a lungo raggio tra successivi WS 2 strati con il potenziale per ridurre la complessità della progettazione del circuito e il consumo di energia.
I materiali 2-D sono stati popolari tra gli scienziati dei materiali grazie alle loro proprietà elettroniche redditizie, consentendo le loro applicazioni nel fotovoltaico, semiconduttori, e depurazione dell'acqua. In particolare, la relativa stabilità fisica e chimica dei materiali 2-D consente loro di essere "impilati" e "integrati" tra loro. In teoria, questa stabilità dei materiali 2-D consente la fabbricazione di strutture basate su materiali 2-D come "pozzi quantici" accoppiati (CQW), un sistema di potenziali "pozzi" interagenti, " o regioni che detengono pochissima energia, che consentono solo energie specifiche per le particelle intrappolate al loro interno.
I CQW possono essere utilizzati per progettare diodi tunneling risonanti, dispositivi elettronici che mostrano un tasso di variazione negativo della tensione con la corrente e sono componenti cruciali dei circuiti integrati. Tali chip e circuiti sono parte integrante delle tecnologie che emulano i neuroni e le sinapsi responsabili dell'immagazzinamento della memoria nel cervello biologico.
Dimostrando che i materiali 2-D possono effettivamente essere utilizzati per creare CQW, un gruppo di ricerca guidato da Myoung-Jae Lee Ph.D. del Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) ha progettato un sistema CQW che impila un disolfuro di tungsteno (WS 2 ) strato tra due strati esagonali di nitruro di boro (hBN). "hBN è un isolante 2-D quasi ideale con elevata stabilità chimica. Questo lo rende una scelta perfetta per l'integrazione con WS 2 , che è noto per essere un semiconduttore in forma 2-D, " spiega il Prof. Lee. I loro risultati sono pubblicati in ACS Nano .
Il team ha misurato l'energia dei sistemi legati agli eccitoni comprendenti un elettrone e una lacuna elettronica (assenza di elettroni) e trioni (eccitoni legati agli elettroni) per il CQW e li ha confrontati con quella per il WS a doppio strato 2 strutture per identificare l'effetto di WS 2 -WS 2 interazione. Hanno anche misurato le caratteristiche di corrente-tensione di un singolo CQW per caratterizzarne il comportamento.
Hanno osservato una graduale diminuzione sia dell'energia degli eccitoni che dei trioni con un aumento del numero di pali, e una brusca diminuzione del doppio strato WS 2 . Hanno attribuito queste osservazioni a un'interazione tra i pozzi a lungo raggio e a una forte WS 2 -WS 2 interazioni in assenza di hBN, rispettivamente. Le caratteristiche di corrente-tensione hanno confermato che si comporta come un diodo tunnel risonante.
Quindi quali implicazioni hanno questi risultati per il futuro dell'elettronica? Il prof. Lee riassume, "Possiamo utilizzare diodi tunneling risonanti per realizzare dispositivi logici multivalore che ridurranno considerevolmente la complessità del circuito e i consumi di potenza di calcolo. Questo, a sua volta, può portare allo sviluppo di elettronica a bassa potenza."
Questi risultati rivoluzioneranno sicuramente l'industria elettronica con chip e circuiti a semiconduttore a potenza estremamente bassa, ma la cosa più eccitante è dove possono portarci questi chip, in quanto possono essere impiegati in applicazioni che imitano neuroni e sinapsi, che svolgono un ruolo nell'immagazzinamento della memoria nel cervello biologico. Questa prospettiva 2-D potrebbe quindi essere la prossima grande novità nell'intelligenza artificiale.
