Forskning utförd av Dr. Rafik Addou (från vänster), Dr Moon Kim, Dr. Robert Wallace och doktorand Hui Zhu demonstrerade ett praktiskt sätt att skapa nanoelektroniska enheter ett atomlager i taget.
Fältet kvantmekanik handlar om material vid atomära dimensioner, och stora upptäckter sker ofta i mycket liten skala. Forskare vid Erik Jonsson School of Engineering and Data Science, i samarbete med ett internationellt team av ingenjörer och forskare, har avslöjat ett fenomen som kan få stora konsekvenser för utvecklingen av nanoelektroniska kretsar och enheter.
I en nyligen publicerad artikel i Naturkommunikation , forskarna beskriver för första gången hur odlade och staplade, atomärt tunna material kan uppvisa en unik transporteffekt, kallad negativ differentialresistans, eller NDR, vid rumstemperatur.
NDR är ett fenomen där elektroner, på grund av deras vågnatur, tunnel genom tunna material med varierande motstånd.
"Allt börjar med material som kallas övergångsmetalldikalogenider, eller TMD, som kan bilda ett atomärt tunt lager som beter sig som en halvledarswitch, " sa medförfattaren Dr Robert Wallace, som är professor i materialvetenskap och teknik och innehar Erik Jonsson Distinguished Chair vid UT Dallas. "TMD:er undersöks nu för att se om de kan användas för att producera det ultimata inom lågeffekt, höghastighetstransistorteknik."
Denna utforskning är viktig för elektronikingenjörer som är intresserade av framtida transistorer. När den odlas i atomärt tunna lager, ytorna på TMD förväntas vara perfekta halvledare för atomärt tunna transistorer, helst utan defekter, tillåter ett supersnabbt "start- och avstängnings"-beteende vid mycket låga spänningar.
"Om det inses, dessa material kan revolutionera elektronikindustrin och möjliggöra ännu högre prestanda bärbara enheter som smartphones och Internet of Things. Deras atomärt tunna skikt ger upphov till konceptet med tvådimensionella halvledarmaterial, " sa Wallace.
UT Dallas doktorand Hui Zhu var medförfattare på tidningen publicerad i Naturkommunikation .
Dr Moon Kim, som innehar Louis Beecherl Jr. Distinguished Chair och är professor i materialvetenskap och teknik vid UT Dallas, var medförfattare på tidningen.
"Denna forskning är den första i sitt slag som visar ett praktiskt sätt att tillverka nanoelektroniska enheter med ett atomlager i taget snarare än att mekaniskt stapla atomärt tunna lager, " sa Kim. "Ett nära samarbete mellan forskare med kompletterande expertis såsom tillverkning av enheter, Karakterisering och teori i atomskala gjorde denna forskning möjlig."
NDR-effekten observerades först när en spänning applicerades på strukturer gjorda av enatomtjocka lager som bestod av flera olika TMD-material. Det som fångade forskarnas uppmärksamhet var en skarp topp och dalgång i elektriska mätningar där det normalt skulle finnas en regelbunden lutning uppåt.
När man förklarar resultaten, forskarna insåg att de såg en 2D-version av en resonans tunneldiod, en kvantmekanisk anordning som arbetar med låg effekt. Teamet insåg att de hade byggt världens tunnaste resonans tunneldiod, och att den fungerade vid rumstemperatur.
"Detta samarbetsarbete representerar en viktig prestation i förverkligandet av användbara 2-D integrerade kretsar. Förmågan att observera resonansbeteendet vid rumstemperatur pekar mot möjligheterna för skalbara anordningstillverkningsmetoder som är mer kompatibla med industriella intressen, " sade Wallace. "Utmaningen vi nu måste ta itu med inkluderar att förbättra de odlade 2D-materialen ytterligare och få bättre prestanda för framtida enhetstillämpningar."
