De gamla reglerna gäller inte nödvändigtvis när man bygger elektroniska komponenter av tvådimensionella material, enligt forskare vid Rice University.

Rice lab av teoretiska fysikern Boris Yakobson analyserade hybrider som lägger 2-D material som grafen och bornitrid sida vid sida för att se vad som händer vid gränsen. De fann att de elektroniska egenskaperna hos sådana "samplanära" hybrider skiljer sig från skrymmande komponenter.

Deras resultat visas denna månad i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

Krympande elektronik innebär krympning av sina komponenter. Akademiska laboratorier och industrier studerar hur material som grafen kan möjliggöra det ultimata inom tunna enheter genom att bygga alla nödvändiga kretsar till ett atomtjockt lager.

"Vårt arbete är viktigt eftersom halvledarövergångar är ett stort område, "Yakobson sa." Det finns böcker med ikoniska modeller för elektroniskt beteende som är extremt välutvecklade och har blivit industrins grundpelare.

"Men dessa är alla för bulk-till-bulk-gränssnitt mellan tredimensionella metaller, " sa han. "Nu när människor aktivt arbetar för att göra tvådimensionella enheter, särskilt med co-planar elektronik, vi insåg att reglerna måste omprövas. Många av de etablerade modellerna som används inom industrin är helt enkelt inte tillämpliga."

Forskarna under ledning av Rice-doktoranden Henry Yu byggde datorsimuleringar som analyserar laddningsöverföring mellan atomtjocka material.

"Det var ett logiskt steg att testa vår teori om både metaller och halvledare, som har mycket olika elektroniska egenskaper, "Sa Yu." Detta gör grafen, som är en metall – eller en halvmetall, för att vara exakt - molybdendisulfid och bornitrid, som är halvledare, eller till och med deras hybrider idealiska system att studera.

"Faktiskt, dessa material har tillverkats i stor omfattning och använts i samhället i nästan ett decennium, vilket gör analysen av dem mer märkbar inom området. Vidare, både hybrider av grafen-molybdendisulfid och grafen-bornitrid har syntetiserats framgångsrikt nyligen, vilket innebär att vår studie har praktisk betydelse och kan testas i labbet nu, " han sa.

Yakobson sa att 3D-material har ett smalt område för laddningsöverföring vid den positiva och negativa (eller p/n) korsningen. Men forskarna fann att 2D-gränssnitt skapade "en mycket icke-lokaliserad laddningsöverföring" - och ett elektriskt fält tillsammans med det - som kraftigt ökade korsningens storlek. Det kan ge dem en fördel i solcellsapplikationer som solceller, sa forskarna.

Labbet byggde en simulering av en hybrid av grafen och molybdendisulfid och övervägde också grafenbornitrid och grafen där hälften dopades för att skapa en p/n-korsning. Deras beräkningar förutspådde närvaron av ett elektriskt fält skulle göra 2-D Schottky (envägs) enheter som transistorer och dioder mer avstämbara baserat på storleken på själva enheten.

Hur atomerna är i linje med varandra är också viktigt, Sa Yakobson. Grafen och bornitrid har båda hexagonala gitter, så de passar perfekt. Men molybden -disulfid, ännu ett lovande material, är inte precis platt, även om det fortfarande anses vara 2-D.

"Om atomstrukturerna inte matchar, du får dinglande band eller defekter längs gränsen, "sa han." Strukturen har konsekvenser för elektroniskt beteende, speciellt för det som kallas Fermi-nivånålning."

Pinning kan försämra elektrisk prestanda genom att skapa en energibarriär vid gränssnittet, Yakobson förklarade. "Men din Schottky-barriär (i vilken strömmen rör sig i endast en riktning) förändras inte som förväntat. Detta är ett välkänt fenomen för halvledare; det är bara det i två dimensioner, det är annorlunda, och i det här fallet kan gynna 2-D framför 3-D-system."

Yakobson sa att principerna i det nya papperet kommer att gälla för mönstrade hybrider med två eller flera 2-D-lappar. "Du kan göra något speciellt, men de grundläggande effekterna finns alltid vid gränssnitten. Om du vill ha många transistorer i samma plan, det är okej, men du måste fortfarande överväga effekter vid korsningarna.

"Det finns ingen anledning till att vi inte kan bygga 2D-likriktare, transistorer eller minneselement, " sa han. "De kommer att vara samma som vi använder rutinmässigt i enheter nu. Men om vi inte utvecklar en ordentlig grundläggande kunskap om fysiken, de kan misslyckas med att göra det vi utformar eller planerar. "