I ett framsteg som hjälper till att bana väg för nästa generations elektronik- och datorteknik-och eventuellt papperstunna prylar-har forskare med US Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) utvecklat ett sätt att kemiskt montera transistorer och kretsar som är bara några atomer tjocka.

Vad mer, deras metod ger funktionella strukturer i en skala som är tillräckligt stor för att börja tänka på verkliga applikationer och kommersiell skalbarhet.

De rapporterar sin forskning online den 11 juli i tidningen Naturnanoteknik .

Forskarna kontrollerade syntesen av en transistor där smala kanaler etsades på ledande grafen, och ett halvledande material som kallas en övergångsmetall-dikalkogenid, eller TMDC, var sådd i de tomma kanalerna. Båda dessa material är enskiktade kristaller och atomtunna, så gav den tvådelade enheten elektroniska strukturer som i huvudsak är tvådimensionella. Dessutom, syntesen kan täcka ett område som är några centimeter långt och några millimeter brett.

"Detta är ett stort steg mot ett skalbart och repeterbart sätt att bygga atomtunn elektronik eller packa mer datorkraft i ett mindre område, "säger Xiang Zhang, en senior forskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning som ledde studien.

Zhang innehar också Ernest S. Kuh Endowed Chair vid University of California (UC) Berkeley och är medlem i Kavli Energy NanoSciences Institute i Berkeley. Andra forskare som bidragit till forskningen inkluderar Mervin Zhao, Yu Ye, Yang Xia, Hanyu Zhu, Siqi Wang, och Yuan Wang från UC Berkeley samt Yimo Han och David Muller från Cornell University.

Deras arbete är en del av en ny våg av forskning som syftar till att hålla jämna steg med Moores lag, som hävdar att antalet transistorer i en integrerad krets fördubblas ungefär vartannat år. För att hålla denna takt, forskare förutspår att integrerad elektronik snart kommer att kräva transistorer som mäter mindre än tio nanometer.

Transistorer är elektroniska omkopplare, så de måste kunna slå på och av, vilket är en egenskap hos halvledare. Dock, i nanometer skala, kiseltransistorer kommer sannolikt inte att vara ett bra alternativ. Det beror på att kisel är ett bulkmaterial, och när elektronik tillverkad av kisel blir mindre och mindre, deras prestanda som switchar minskar dramatiskt, som är en viktig vägspärr för framtida elektronik.

Forskare har tittat på tvådimensionella kristaller som bara är en molekyl tjock som alternativa material för att hålla jämna steg med Moores lag. Dessa kristaller omfattas inte av kiselns begränsningar.

I denna veva, forskarna i Berkeley Lab utvecklade ett sätt att fröa en enskiktad halvledare, i detta fall TMDC molybdendisulfid (MoS2), i kanaler litografiskt etsade i ett ark ledande grafen. De två atomarken möts för att bilda korsningar i nanometer-skala som gör det möjligt för grafen att effektivt injicera ström i MoS2. Dessa korsningar gör atomtunna transistorer.

"Detta tillvägagångssätt möjliggör kemisk montering av elektroniska kretsar, använder tvådimensionella material, som visar förbättrad prestanda jämfört med att använda traditionella metaller för att injicera ström i TMDC, "säger Mervin Zhao, en huvudförfattare och doktorand student i Zhangs grupp vid Berkeley Lab och UC Berkeley.

Optiska och elektronmikroskopiska bilder, och spektroskopisk kartläggning, bekräftade olika aspekter relaterade till den framgångsrika bildningen och funktionaliteten hos de tvådimensionella transistorerna.

Dessutom, forskarna demonstrerade strukturens tillämplighet genom att montera den i logikkretsen hos en växelriktare. Detta understryker ytterligare teknikens förmåga att lägga grunden för en kemiskt monterad atomdator, säger forskarna.

"Båda dessa tvådimensionella kristaller har syntetiserats i våtskalan på ett sätt som är kompatibelt med nuvarande halvledartillverkning. Genom att integrera vår teknik med andra tillväxtsystem, det är möjligt att framtida beräkning kan göras helt med atomiskt tunna kristaller, säger Zhao.