Under de senaste sextio åren har elektronikindustrin och den genomsnittliga konsumenten har gynnats av den kontinuerliga miniatyriseringen, ökad lagringskapacitet och minskad strömförbrukning för elektroniska enheter. Dock, denna skalningstid som gynnat mänskligheten tar snabbt slut. För att fortsätta krympa elektronikens storlek och strömförbrukning, nya material och nya tekniska tillvägagångssätt behövs.

Susan Fullerton, biträdande professor i kemi- och petroleumsteknik vid University of Pittsburghs Swanson School of Engineering, hanterar den utmaningen genom att utveckla nästa generations elektronik baserat på alla tvådimensionella material. Dessa "alla 2-D" -material liknar ett pappersark-om papperet bara var en enda molekyl tjockt. Hennes forskning om dessa supertunna material erkändes av National Science Foundation med $ 540, 000 CAREER -pris, som stöder lärare i tidig karriär som har potential att fungera som akademiska förebilder inom forskning och utbildning och att leda framsteg i uppdraget för sin avdelning eller organisation.

"Tillkomsten av nya dataparadigmer skjuter gränsen för vad traditionella halvledarenheter kan erbjuda, "Dr Fullerton sa." Till exempel, maskininlärning kommer att kräva nanosekundsvarhastigheter, sub-volt-drift, 1, 000 distinkta motståndsstater, och andra aspekter som ingen befintlig enhetsteknik kan ge.

"Vi har länge vetat att joner-som de i litiumjonbatterier-är mycket bra på att kontrollera hur laddning rör sig i dessa ultratunna halvledare, "noterade hon." I detta projekt, vi föreställer oss om jonernas roll inom högpresterande elektronik. Genom att lägga på varandra följande molekylstora lager ovanpå varandra, vi strävar efter att öka lagringskapaciteten, minska energiförbrukningen, och mycket snabbare bearbetningshastighet. "1

För att bygga den här 2-D-enheten, Fullerton och hennes grupp uppfann en ny typ av joninnehållande material, eller elektrolyt, som bara är en enda molekyl tjock. Denna "enskiktselektrolyt" kommer i slutändan att introducera nya funktioner som kan användas av det elektroniska materialgemenskapen för att utforska de grundläggande egenskaperna hos nya halvledarmaterial och för att utveckla elektronik med helt nya enhetskarakteristika.

Enligt Dr Fullerton, det finns flera viktiga applikationsutrymmen där material och metoder som utvecklats i denna CAREER -forskning kan ha inverkan:informationslagring, hjärninspirerad dator, och säkerhet, särskilt.

Förutom att utveckla monoskiktselektrolyterna, NSF -utmärkelsen kommer att stödja en doktorsexamen student och postdoktor, samt ett uppsökande program för att inspirera nyfikenhet och engagemang hos K-12 och underrepresenterade studenter i material för nästa generations elektronik. Specifikt, Dr Fullerton har utvecklat en aktivitet där eleverna kan se polymerelektrolyterna som används i denna studie kristallisera i realtid med hjälp av en billig kamera ansluten till en smarttelefon eller iPad. CAREER -utmärkelsen gör det möjligt för Dr. Fullerton att tillhandahålla detta mikroskop till klassrummen så att lärarna kan fortsätta utforska med sina elever.

"När eleverna får det bärbara mikroskopet i händerna - blir de riktigt kreativa, "sa hon." När de tittat på vad som händer med polymeren, de går på upptäcktsfärd. De tittar på huden på armen, tuggummit ur munnen, eller detaljerna på tyget på deras kläder. Det är fantastiskt att titta på detta relativt billiga verktyg som väcker nyfikenhet i materialen som finns runt omkring dem, och det är huvudmålet. "

Dr Fullerton noterade att hennes forskning tar ett riktigt nytt tillvägagångssätt för jonutnyttjande, som traditionellt har undvikits av halvledargemenskapen.

"Jon ignoreras ofta för om du inte kan styra deras plats, de kan förstöra en enhet. Så tanken på att använda joner inte bara som ett verktyg för att utforska grundläggande egenskaper, men som en integrerad enhetskomponent är extremt spännande och riskabelt, "förklarade Dr. Fullerton." Om den antas, joner i kombination med 2-D-material kan representera ett paradigmskifte i högpresterande datorer eftersom vi behöver helt nya material med spännande ny fysik och egenskaper som inte längre är begränsade av storlek. "