Forskning om att utnyttja tvådimensionella (2D) material för vardagliga enheter har haft några upp- och nedgångar. Dock, det framväxande området valleytronics använder energitråg för att erbjuda förnyad potential.

Enligt Johnson Goh, en senior forskare vid A*STARs Institute of Materials Research and Engineering, 2-D och andra mycket tunna material kan snart använda valleytronics för att överföra information. Goh hävdar att en kombination av alltmer prisvärda 2D-materialproduktionsmetoder och tillämpningen av tekniker som valleytronics snabbt skulle kunna samverka för att krympa enhetsstorlekar och energiförbrukningsbehov.

Grundidén är att skicka information genom 2-D och andra mycket tunna ledande material med hjälp av energi-"dalarna" (eller energiextrema) i deras lednings- och valensband (energibanden runt vilka elektroner kretsar kring en atoms kärna). Information, säger goh, kan överföras genom att kontrollera en elektrons association med en dal - en manipulation som kan uppnås med hjälp av elektriska fält, magnetiska fält och cirkulärt polariserat ljus.

Till exempel, i molybdendisulfid, som är ett 2D-material, närvaron av två inekvivalenta dalar innebär att information kan lagras på ett binärt sätt baserat på vilken dal en elektron befinner sig i:en dal kan representera en nolla, medan den andra kan representera en etta. Denna information kan sedan användas för beräkning eller minne.

Snabbare, bättre, starkare:2-D halvledare och valleytronics

Goh hävdar att en kombination av valleytronics och 2-D eller mycket tunna material kommer att möjliggöra en mängd funktioner i nanoelektroniska och nanofotoniska enheter som inte kan uppnås med befintlig kiselbaserad halvledarteknologi. Till exempel, valleytronics skulle tillåta elektrontransport i 2D-material att manipuleras med lägre energier än konventionella enheter.

Information överförs i de flesta av dagens enheter med hjälp av ett flöde av laddade elektroner. Förutom att det ofta krävs fler elektroner för att kommunicera, denna metod lider av en "hophopning" av elektroner och deras knuffande resulterar i spridning och viss förlust av elektronenergi som värme. Inom valleytronics, å andra sidan, Spridningsförluster kan undertryckas eftersom elektroner i energidalar är något skyddade från stötar.

Data kan också lagras mer robust i valleytronics material än i konventionella datalagringssystem, säger Goh. "Dalen är en egenskap hos hela materialet, och därför förstörs dalstaterna endast om materialet modifieras väsentligt eller upphör att existera, " förklarar han. "Så istället för att koda information till elektriska laddningar som kan gå förlorade genom spridning, kodning av information till daltillstånd borde vara mer hållbar på grund av den unika kopplingen av elektronspin till dal."

För närvarande, Goh och andra forskare vid IMRE konstruerar ett antal nya och användbara 2-D-halvledare för denna teknik genom att justera deras sammansättning för att justera bandgap och därmed kontrollera deras ledningsegenskaper.

Dock, att skapa ett binärt informationssystem med hjälp av ett 2D-materials daltillstånd, det är också viktigt att skilja på vilken dal en laddning är associerad med att använda "dalkontrast" - som är motsatta snurr som värdas av dalar med motsatta index. Övergångsmetalldikalkogenider, såsom molybdendisulfid, har visat sig användbara för laget eftersom dessa redan har två distinkta dalar med inneboende kontrast, eliminerar behovet av att omkonstruera dessa material för att ha denna egenskap.

Goh och hans team försöker också lägga till den kända listan över material med denna nyckelegenskap. Under de senaste två åren, i samarbete med National University of Singapore, de har satt ihop en uppsättning verktyg för att dimensionera 2D-material för deras kontrast i dalen.

Stora 2D-material redo för marknaden

På samma gång, Gohs kollegor tar itu med ett av de största hindren för kommersialiseringen av denna teknik. Att hitta tillförlitliga och skalbara produktionsmetoder för elektronik i stor skala kräver tekniker som kan bilda 2D-material med enhetlig tjocklek och elektriska egenskaper över ytor som är minst lika stora som en fyra-tums skiva:standardstorleken på substratet som används inom elektronikindustrin.

Att göra detta, Goh vände sig till IMRE-kollegan Dongzhi Chi, som hittar sätt att tillverka 2D-halvledarmaterial med stor area med hjälp av en metod som kallas kemisk ångavsättning. Denna teknik bildar material genom att exponera ett högtemperatursubstrat för gaser som bär de önskade atomerna.

Chi och hans team har redan haft några viktiga framgångar med att kontrollera koncentrationsspridningen av de kemiska ångorna av molybdendisulfid under denna process. Genom att införa en tunn nickeloxidskumbarriärfälla för att sänka kemikaliekoncentrationerna i ångan, de har förbättrat enhetligheten och kvaliteten på deponeringsmaterialet. "Fördelen med detta tillvägagångssätt framför andra är lätthet, säger Chi, "den använder kemiska pulver med låg toxicitet och minimal introduktion av kemiska arter bortom de kemiska elementen i själva deponerade materialet, molybden och svavel."

Proof of concept-enheter

Goh säger att hans team vill demonstrera sina första proof-of-concept-enheter i början av 2019. Han säger att dessa kommer att inkludera enheter som använder valleytronics för att göra enkla saker, som att slå på eller stänga av en enhet.

Dock, han tillägger att om dalelektroner sätts i superpositionstillstånd kan de producera en qubit - den grundläggande enheten för kvantberäkning. Faktiskt, Goh ser de största framtida vinsterna för valleytronics i dess möjliga tillämpningar för "elektronik såsom lågeffekts kantberäkning och så småningom robust kvantberäkning."

Mindre enheter innebär mindre avstånd för information att resa och därför erbjuder valleytronics och kvantberäkning fördelar i databehandlingshastigheter. Detta har noterats av människor som försöker utnyttja atomernas spinn för kvantberäkning. Dock, valleytronics kan ha en fördel på spintronics eftersom kvantspinn är starkt kopplat till magnetfält, som kan introducera stabilitetsproblem som inte är lika problematiska inom valleytronics.

På grund av detta, Goh tror att tillverkning av kvantdatorer som använder daltillstånd kommer att vara nyckeln till att öppna upp hela 2D-materialfältet för kommersialisering. "Quantum computing kommer att hjälpa oss att visa upp 2D-materials fördelar jämfört med klassisk elektronik. Om det lyckas, företag skulle kunna vara mer villiga att investera i den infrastruktur som krävs för att utveckla ännu bättre prestanda 2D-material och förvandla dem till verkligt störande teknologier."