Grafen har dykt upp som en av de mest lovande tvådimensionella kristallerna, men elektronikens framtid kan innehålla två andra nanomaterial, enligt en ny studie av forskare vid University of California, Riverside och University of Georgia.

I forskning publicerad måndag (4 juli) i tidskriften Naturens nanoteknik , forskarna beskrev integrationen av tre mycket olika tvådimensionella (2D) material för att ge en enkel, kompakt, och snabb spänningsstyrd oscillator (VCO) enhet. En VCO är en elektronisk oscillator vars oscillationsfrekvens styrs av en spänningsingång.

Med titeln "En integrerad tantalsulfid—bornitrid—grafenoscillator:en laddningsdensitetsvågenhet som arbetar vid rumstemperatur, " uppsatsen beskriver utvecklingen av den första användbara enheten som utnyttjar potentialen hos vågor med laddningstäthet för att modulera en elektrisk ström genom ett 2D-material. Den nya tekniken kan bli ett ultralågeffektalternativ till konventionella kiselbaserade enheter, som används i tusentals applikationer från datorer till klockor till radioapparater. Den tunna, Enhetens flexibla karaktär skulle göra den idealisk för användning i bärbara teknologier.

grafen, ett enda lager av kolatomer som uppvisar exceptionell elektrisk och termisk ledningsförmåga, visar lovande som en efterföljare till kiselbaserade transistorer. Dock, dess tillämpning har begränsats av dess oförmåga att fungera som en halvledare, vilket är avgörande för "på-av"-omkopplingsoperationer som utförs av elektroniska komponenter.

För att övervinna denna brist, forskarna vände sig till ett annat 2D nanomaterial, Tantalsulfid (TaS2). De visade att spänningsinducerade förändringar i atomstrukturen av '1T-prototypen' av TaS2 gör att den kan fungera som en elektrisk strömbrytare vid rumstemperatur - ett krav för praktiska tillämpningar.

"Det finns många vågmaterial med laddningstäthet som har intressanta elektriska omkopplingsegenskaper. de flesta avslöjar dessa egenskaper endast vid mycket låg temperatur. Den speciella polytypen av TaS2 som vi använde kan ha plötsliga förändringar i motstånd över rumstemperatur. Det gjorde en avgörande skillnad, sade Alexander Balandin, UC:s presidentordförande professor i el- och datorteknik vid UCR:s Bourns College of Engineering, som ledde forskargruppen.

För att skydda TaS2 från miljöskador, forskarna täckte den med ett annat 2D-material, hexagonalt bornitrat, för att förhindra oxidation. Genom att para ihop den bornitridkapslade TaS2 med grafen, teamet konstruerade en trelagers VCO som kunde bana väg för post-silikonelektronik. I den föreslagna designen, grafen fungerar som ett integrerat avstämbart belastningsmotstånd, som möjliggör exakt spänningsstyrning av strömmen och VCO-frekvensen. Prototypen av UCR-enheter som drivs vid MHz-frekvens som används i radioapparater, och de extremt snabba fysiska processerna som definierar enhetens funktionalitet tillåter operationsfrekvensen att öka hela vägen till THz.

Balandin sa att det integrerade systemet är det första exemplet på en funktionell spänningsstyrd oscillatorenhet som består av 2D-material som fungerar vid rumstemperatur.

"Det är svårt att konkurrera med kisel, som har använts och förbättrats under de senaste 50 åren. Dock, vi tror att vår enhet visar en unik integration av tre mycket olika 2D-material, som utnyttjar de inneboende egenskaperna hos vart och ett av dessa material. Enheten kan potentiellt bli ett lågeffektalternativ till konventionell kiselteknologi i många olika applikationer, sa Balandin.

Den elektroniska funktionen av grafen som föreställs i den föreslagna 2D-enheten övervinner problemet i samband med frånvaron av energibandgapet, vilket hittills förhindrat grafens användning som transistorkanalmaterial. Den extremt höga värmeledningsförmågan hos grafen kommer som en ytterligare fördel i enhetens struktur, genom att underlätta värmeavledning. De unika värmeledningsegenskaperna hos grafen upptäcktes experimentellt och förklarades teoretiskt 2008 av Balandins grupp vid UCR. Materials Research Society erkände denna banbrytande prestation genom att tilldela Balandin MRS-medaljen 2013.

Balandin-gruppen demonstrerade också de första integrerade grafenvärmespridarna för högeffekttransistorer och lysdioder. "I dessa applikationer, grafen användes uteslutande som värmeledande material. Dess värmeledningsförmåga var huvudegenskapen. I föreliggande anordning, vi använder både elektrisk och termisk ledningsförmåga av grafen, " tillade Balandin.