Karta över laddningsinhomogeniteter, känd som "laddningspölar". Kredit:ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies
Forskare har funnit att det topologiska materialet trinatriumvismut (Na 3 Bi) kan tillverkas för att vara lika "elektroniskt slät" som det grafenbaserade alternativet av högsta kvalitet, samtidigt som grafenens höga elektronrörlighet bibehålls.
Na 3 Bi är en Topologisk Dirac Semimetall (TDS), anses vara en 3D-ekvivalent till grafen genom att den visar samma utomordentligt höga elektronrörlighet.
I grafen, som i en TDS, elektroner rör sig med konstant hastighet, oberoende av sin energi.
Denna höga elektronmobilitet är mycket önskvärd i material som undersöks för snabbväxling av elektronik. Flödet av elektroner i grafen kan vara, teoretiskt sett 100 gånger så snabbt som i kisel.
Men i praktiken finns det begränsningar för grafens anmärkningsvärda elektronrörlighet, drivs av materialets tvådimensionella natur.
Även om grafen i sig kan vara extremt rent, det är alldeles för tunt för att använda som ett fristående material, och måste vara bunden med ett annat material. Och eftersom grafen är atomärt tunt, föroreningar i det substratet kan orsaka elektronisk störning i grafenet.
Sådana mikroskopiska inhomogeniteter, känd som "laddningspölar", begränsa rörligheten för avgiftsbärare.
I praktiken, detta innebär att grafenbaserade anordningar måste vara noggrant konstruerade med ett grafenark på ett substratmaterial som minimerar sådan elektronisk störning. Hexagonal bornitrid (h-BN) används vanligtvis för detta ändamål.
Men nu, forskare vid Australiens forskningscenter FLEET har funnit att trinatriumvismut (Na 3 Bi) odlade i sina laboratorier vid Monash University är lika elektroniskt smidiga som grafen/h-BN av högsta kvalitet.
Det är en betydande prestation, säger huvudforskaren Dr Mark Edmonds. "Det här är första gången ett 3D Dirac -material har mätts på ett sådant sätt, "Dr Edmonds säger." Och vi är glada över att ha hittat en så hög grad av elektronisk mjukhet i detta material. "
Upptäckten kommer att vara avgörande för utvecklingen av studiet av detta nya topologiska material, som kan ha breda tillämpningar inom elektronik. "Det är omöjligt att veta hur många forskningsområden detta kan öppna, ", säger Dr Edmonds. "Samma fynd i grafen/h-BN utlöste betydande kompletterande studier 2011."
Med elektronisk jämnhet av Na3Bi nu demonstrerad, en rad andra forskningsmöjligheter öppnar sig. Det har gjorts många studier av det relativistiska (högmobilitet) flödet av elektroner i grafen sedan det upptäcktes 2004. Med denna senaste studie, liknande studier av Na3Bi kan förväntas.
Na 3 Bi erbjuder ett antal intressanta fördelar jämfört med grafen.
Förutom att undvika de svåra konstruktionsmetoderna som är involverade i tvåskiktsgrafen/h-BN-enheter, Na 3 Bi kan odlas i millimeterskala eller större. För närvarande, grafen-h-BN är begränsad till endast några mikrometer.
Trinatriumvismutstruktur visas med natriumatomer vita och vismutatomer kricka. Kredit:ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies
En annan betydande fördel är möjligheten att använda Na 3 Bi som den ledande kanalen i en ny generation av transistorer - en byggd på vetenskapen om topologiska isolatorer. Studien publicerades i Vetenskapens framsteg i december 2017.
Nästa steg &topologiska transistorer
"Upptäckten av elektroniskt smidig, tunna filmer av TDS är ett viktigt steg mot omkopplingsbara topologiska transistorer, " säger FLEET-direktören Prof Michael Fuhrer.
"Graphene är en fantastisk dirigent, men det går inte att "stänga av", eller kontrollerad, " säger professor Fuhrer. "Topologiska material, såsom Na 3 Bi, kan bytas från konventionell isolator till topologisk isolator genom applicering av spänning eller magnetfält. "
Topologiska isolatorer är nya material som beter sig som elektriska isolatorer i sitt inre, men kan bära en ström längs deras kanter. Till skillnad från en konventionell elektrisk väg, sådana topologiska kantbanor kan bära elektrisk ström med nästan noll förlust av energi, vilket innebär att topologiska transistorer kan växla utan att förbränna energi.
Topologiska material uppmärksammades i förra årets Nobelpris i fysik.
Topologiska transistorer skulle 'växla', precis som en traditionell transistor. Tillämpningen av en grindpotential skulle byta kantbanorna i en Na 3 Bikanal mellan att vara en topologisk isolator ('on') och en konventionell isolator ('off').
Den större bilden:energianvändning i beräkningar
Den övergripande utmaningen är den växande mängden energi som används inom beräknings- och informationsteknologi (IT).
Varje gång en transistor växlar, en liten mängd energi förbränns, och med biljoner transistorer som växlar miljarder gånger per sekund, denna energi lägger till. Redan, energin som förbränns i beräkningar står för 5 procent av den globala elanvändningen, och det fördubblas varje decennium.
Under många år, energibehovet för ett exponentiellt växande antal beräkningar hölls i schack av allt mer effektiva, och allt mer kompakta datorchips - en effekt relaterad till Moores lag. Men när man närmar sig grundläggande fysikgränser, Moores lag tar slut, och det finns begränsade framtida effektivitetsvinster att finna.
"För att beräkningarna ska fortsätta växa, att hålla jämna steg med förändrade krav, vi behöver effektivare elektronik, " säger professor Michael Fuhrer. "Vi behöver en ny typ av transistor som förbränner mindre energi när den växlar."
"Denna upptäckt kan vara ett steg i riktning mot topologiska transistorer som förvandlar beräkningsvärlden."
Studien publiceras i Vetenskapens framsteg .
