När forskare fortsätter att jaga efter ett material som gör det möjligt att packa fler transistorer på ett chip, ny forskning från McGill University och Université de Montréal lägger till bevis för att svart fosfor kan växa fram som en stark kandidat.

I en studie publicerad idag i Naturkommunikation , forskarna rapporterar att när elektroner rör sig i en fosfortransistor, de gör det bara i två dimensioner. Fyndet tyder på att svart fosfor kan hjälpa ingenjörer att övervinna en av de stora utmaningarna för framtida elektronik:att designa energieffektiva transistorer.

"Transistorer fungerar mer effektivt när de är tunna, med elektroner som rör sig i endast två dimensioner, "säger Thomas Szkopek, docent vid McGills institution för elektroteknik och datateknik och seniorförfattare till den nya studien. "Ingenting blir tunnare än ett enda lager av atomer."

År 2004, fysiker vid University of Manchester i U.K. isolerade och undersökte först grafens anmärkningsvärda egenskaper-ett kolatom med ett atomtjocklek. Sedan dess har forskare skyndat sig för att undersöka en rad andra tvådimensionella material. En av dem är svart fosfor, en form av fosfor som liknar grafit och enkelt kan separeras i enskilda atomlager, känd som fosforen.

Fosforen har väckt ett växande intresse eftersom det övervinner många av utmaningarna med att använda grafen i elektronik. Till skillnad från grafen, som fungerar som en metall, svart fosfor är en naturlig halvledare:den kan enkelt slås på och av.

"För att sänka transistornas driftspänning, och därigenom minska värmen de genererar, vi måste komma närmare och närmare att designa transistorn på atomnivå, "Szkopek säger." Framtidens verktygslåda för transistordesigners kommer att kräva en mängd olika atomlagermaterial:en idealisk halvledare, en idealisk metall, och en idealisk dielektrikum. Alla tre komponenterna måste optimeras för en väldesignad transistor. Svart fosfor fyller rollen i halvledande material. "

Arbetet berodde på ett tvärvetenskapligt samarbete mellan Szkopeks nanoelektroniska forskargrupp, nanovetenskapslaboratoriet i McGill Physics Prof. Guillaume Gervais, och forskargruppen för nanostrukturer av professor Richard Martel vid Université de Montréals institution för kemi.

För att undersöka hur elektronerna rör sig i en fosfortransistor, forskarna observerade dem under påverkan av ett magnetfält i experiment som utfördes på National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, FL, det största och högst drivna magnetlaboratoriet i världen. Denna forskning "ger viktiga insikter om den grundläggande fysiken som dikterar svart fosfor beteende, "säger Tim Murphy, DC Field Facility Director vid anläggningen i Florida.

"Vad som är förvånande i dessa resultat är att elektronerna kan dras in i ett laddningsark som är tvådimensionellt, även om de upptar en volym som har flera atomlager i tjocklek, "Szkopek säger. Det fyndet är viktigt eftersom det potentiellt kan underlätta tillverkning av materialet - men vid denna tidpunkt" ingen vet hur man tillverkar detta material i stor skala. "

"Det finns ett stort växande intresse runt om i världen för svart fosfor, "Szkopek säger." Vi är fortfarande långt ifrån att se atomlagertransistorer i en kommersiell produkt, men vi har nu gått ett steg närmare. "