Under de senaste åren har topologiska isolatorer har blivit ett av de hetaste ämnena inom fysik. Dessa nya material fungerar både som isolatorer och ledare, med deras inre förhindrar flödet av elektriska strömmar medan deras kanter eller ytor tillåter rörelse av en laddning.
Kanske viktigast av allt, ytorna på topologiska isolatorer möjliggör transport av spinnpolariserade elektroner samtidigt som det förhindrar "spridning" som vanligtvis är förknippad med strömförbrukning, där elektroner avviker från sin bana, resulterar i försvinnande.
På grund av sådana egenskaper, dessa material har stor potential för användning i framtida transistorer, minnesenheter och magnetiska sensorer som är mycket energieffektiva och kräver mindre ström.
I en studie publicerad idag i Naturnanoteknik , forskare från UCLA:s Henry Samueli School of Engineering and Applied Science och från materialavdelningen vid Australiens University of Queensland visar löftet om ytledningskanaler i topologiska isolatornanoribon gjorda av vismut-tellurid och visar att yttillstånd i dessa nanoribon är "avstämbara"- kan slås på och av beroende på Fermi -nivån.
"Vårt fynd möjliggör en mängd olika möjligheter att bygga potentiell ny generation, nanoelektroniska och spintroniska enheter med låg spridning, från magnetisk avkänning till lagring, "sa Kang L. Wang, Raytheon -professorn i elektroteknik vid UCLA Engineering, vars team utförde undersökningen.
Vismut tellurid är välkänt som ett termoelektriskt material och har också förutspåtts vara en tredimensionell topologisk isolator med robusta och unika yttillstånd. De senaste experimenten med bulkmaterial av vismut tellurid har också föreslagit tvådimensionella ledningskanaler som härrör från yttillstånden. Men det har varit en stor utmaning att ändra ytledning, på grund av dominerande bulkbidrag på grund av föroreningar och termiska excitationer hos sådana halvledare med små bandgap.
Utvecklingen av topologiska isolatornanoribon har hjälpt. Med sina stora yta-till-volym-förhållanden, dessa nanoribbons förbättrar avsevärt ytförhållandena och möjliggör ytmanipulation med externa medel.
Wang och hans team använde tunna vismut-tellurid-nanoribbon som ledande kanaler i fält-effekt-transistorstrukturer. Dessa förlitar sig på ett elektriskt fält för att styra Fermi -nivån och därmed konduktiviteten hos en kanal. Forskarna kunde för första gången påvisa möjligheten att kontrollera yttillstånd i topologiska isolatorns nanostrukturer.
"Vi har visat en klar ytledning genom att delvis ta bort bulkledningen med hjälp av ett externt elektriskt fält, "sa Faxian Xiu, en UCLA personalforskare och huvudförfattare till studien. "Genom att korrekt ställa in grindspänningen, mycket hög ytledning uppnåddes, upp till 51 procent, som representerar de högsta värdena i topologiska isolatorer. "
"Denna forskning är mycket spännande på grund av möjligheten att bygga nanodepparater med en ny driftsprincip, "sa Wang, som också är associerad chef för California NanoSystems Institute (CNSI) vid UCLA. "Mycket lik utvecklingen av grafen, de topologiska isolatorerna kan göras till höghastighetstransistorer och ultrahögkänsliga sensorer. "
De nya fynden belyser kontrollen av ytspinntillstånden i topologiska isolatornanoribb och visar betydande framsteg mot elektriska förhållanden med hög yta för praktiska apparatapplikationer. Nästa steg för Wangs team är att producera höghastighetsenheter baserat på deras upptäckt.
"Det ideala scenariot är att uppnå 100 procent ytledning med ett fullständigt isoleringstillstånd i bulk, "Sa Xiu." Baserat på det pågående arbetet, vi riktar oss mot högpresterande transistorer med en strömförbrukning som är mycket mindre än den konventionella komplementära metalloxidhalvledartekniken (CMOS) som vanligtvis används i dagens elektronik. "
Studera medarbetare Jin Zou, professor i materialteknik vid University of Queensland; Yong Wang, en Queensland International Fellow; och Zous team vid materialindelningen vid University of Queensland bidrog väsentligt till detta arbete. En del av forskningen gjordes också i Alexandros Shailos laboratorium vid UCLA.
