UT Dallas fysiker har publicerat nya fynd som undersöker de elektriska egenskaperna hos material som kan utnyttjas för nästa generations transistorer och elektronik.

Dr Fan Zhang, biträdande professor i fysik, och senior fysikstudent Armin Khamoshi publicerade nyligen sin forskning om övergångsmetalldikalkogenider, eller TMD, i tidningen Naturkommunikation . Zhang är en motsvarande författare, och Khamoshi är medförfattare till tidningen, som också inkluderar samarbetande forskare vid Hong Kong University of Science and Technology.

På senare år har forskare och ingenjörer har blivit intresserade av TMD delvis för att de är överlägsna på många sätt grafen, en en-atom tjock, tvådimensionellt ark av kolatomer ordnade i ett gitter. Eftersom den först isolerades 2004, grafen har undersökts för sin potential att ersätta konventionella halvledare i transistorer, krymper dem ytterligare i storlek. Graphene är en exceptionell konduktör, ett material i vilket elektroner rör sig lätt, med hög rörlighet.

"Man trodde att grafen kunde användas i transistorer, men i transistorer, du måste kunna slå på och av den elektriska strömmen, "Zhang sa." Med grafen, dock, strömmen kan inte enkelt stängas av. "

Bortom Graphene

I deras sökning efter alternativ, forskare och ingenjörer har vänt sig till TMD, som också kan göras till tunn, tvådimensionella ark, eller monolager, bara några få molekyler tjocka.

"TMD har något grafen inte har - ett energigap som gör att elektronflödet kan kontrolleras, för att strömmen ska slås på och av, "Khamoshi sa." Denna lucka gör TMD:er idealiska för användning i transistorer. TMD:er är också mycket bra absorbatorer av cirkulärt polariserat ljus, så att de kan användas i detektorer. Av dessa anledningar, dessa material har blivit ett mycket populärt ämne för forskning."

En av utmaningarna är att optimera och öka elektronmobiliteten i TMD -material, en nyckelfaktor om de ska utvecklas för användning i transistorer, Sa Khamoshi.

I deras senaste projekt, Zhang och Khamoshi tillhandahöll det teoretiska arbetet för att vägleda Hongkong-gruppen om lager-för-lager-konstruktionen av en TMD-enhet och om användningen av magnetfält för att studera hur elektroner färdas genom enheten. Varje monoskikt av TMD är tre molekyler tjockt, och skikten klämdes in mellan två ark bornitridmolekyler.

"Elektronernas beteende styr beteendet hos dessa material, "Zhang sa." Vi vill använda mycket mobila elektroner, men det är väldigt utmanande. Våra samarbetspartners i Hongkong gjorde betydande framsteg i den riktningen genom att ta fram ett sätt att avsevärt öka elektronrörligheten. "

Teamet upptäckte att hur elektroner beter sig i TMD beror på om ett jämnt eller udda antal TMD-lager användes.

"Detta lagerberoende beteende är ett mycket överraskande fynd, " sa Zhang. "Det spelar ingen roll hur många lager du har, men hellre, om det finns ett udda eller jämnt antal lager."

Elektronfysik

Eftersom TMD-materialen fungerar på skalan av individuella atomer och elektroner, forskarna införlivade kvantfysik i sina teorier och observationer. Till skillnad från klassisk fysik, som beskriver beteendet hos storskaliga föremål som vi kan se och röra vid, kvantfysiken styr området för mycket små partiklar, inklusive elektroner.

På storleksskalan för vardagliga elektriska apparater, elektroner som flödar genom trådar beter sig som en ström av partiklar. I kvantvärlden, dock, elektroner beter sig som vågor, och den elektriska tvärledningsförmågan hos det tvådimensionella materialet i närvaro av ett magnetfält är inte längre som en ström - den förändras i diskreta steg, sa Zhang. Fenomenet kallas quantum Hall conductance.

"Quantum Hall konduktans kan ändras steg för steg, eller två steg för två steg, och så vidare, "sa han." Vi fann att om vi använde ett jämnt antal TMD -lager i vår enhet, det fanns en 12-stegs kvantkonduktans. Om vi ​​applicerade ett tillräckligt starkt magnetfält på det, det skulle ändras med sex steg åt gången."

Att använda ett udda antal lager i kombination med ett lågt magnetfält resulterade också i en 6-stegs kvanthallkonduktans i TMD:erna, men under starkare magnetfält, det blev ett 3-stegs-för 3-stegs fenomen.

"Den typ av kvant Hall -konduktans vi förutspådde och observerade i våra TMD -enheter har aldrig hittats i något annat material, "Sade Zhang." Dessa resultat dechiffrerar inte bara de inneboende egenskaperna hos TMD -material, men också visa att vi uppnådde hög elektronmobilitet i enheterna. Detta ger oss hopp om att vi en dag kan använda TMD för transistorer. "