Tvådimensionella (2D) material – så tunna som ett enda lager av atomer – har fascinerat forskare med sin flexibilitet, elasticitet, och unika elektroniska egenskaper, som först upptäcktes i material som grafen 2004. Vissa av dessa material kan vara särskilt känsliga för förändringar i deras materialegenskaper när de sträcks och dras. Under applicerad belastning, de har förutspåtts att genomgå fasövergångar som är lika olika som supraledande i ett ögonblick till icke-ledande nästa, eller optiskt ogenomskinlig i ett ögonblick till transparent i nästa.

Nu, University of Rochester-forskare har kombinerat 2D-material med oxidmaterial på ett nytt sätt, använder en enhetsplattform i transistorskala, att till fullo utforska kapaciteten hos dessa föränderliga 2D-material för att transformera elektronik, optik, datorer och en mängd andra tekniker.

"Vi öppnar upp en ny studieriktning, " säger Stephen Wu, biträdande professor i elektro- och datateknik och fysik. "Det finns ett stort antal 2D-material med olika egenskaper - och om du sträcker dem, de kommer att göra alla möjliga saker."

Plattformen utvecklad i Wus labb, konfigurerad ungefär som traditionella transistorer, tillåter en liten flinga av ett 2D-material att avsättas på ett ferroelektriskt material. Spänning som appliceras på ferroelektriken - som fungerar som en transistors tredje terminal, eller gate -spänningar 2D-materialet av den piezoelektriska effekten, får den att sträcka sig. Den där, i tur och ordning, utlöser en fasförändring som helt kan förändra hur materialet beter sig. När spänningen stängs av behåller materialet sin fas tills en spänning med motsatt polaritet appliceras, vilket får materialet att återgå till sin ursprungliga fas.

"Det slutliga målet med tvådimensionell straintronics är att ta alla de saker som du inte kunde kontrollera tidigare, som den topologiska, supraledande, magnetisk, och optiska egenskaper hos dessa material, och nu kunna kontrollera dem, bara genom att sträcka materialet på ett chip, " säger Wu.

"Om du gör det här med topologiska material kan du påverka kvantdatorer, eller om du gör det med supraledande material kan du påverka supraledande elektronik."

I en tidning i Naturens nanoteknik , Wu och hans elever beskriver hur de använder en tunn film av tvådimensionell molybdenditellurid (MoTe2) i enhetens plattform. När sträckt och osträckt, MoTe2 ändras från ett halvledarmaterial med låg konduktivitet till ett högledande halvmetalliskt material och tillbaka igen.

"Den fungerar precis som en fälteffekttransistor. Du måste bara sätta en spänning på den tredje terminalen, och MoTe2 kommer att sträcka sig lite i en riktning och bli något som leder. Sedan sträcker du tillbaka den åt ett annat håll, och helt plötsligt har du något som har låg ledningsförmåga, " säger Wu.

Processen fungerar vid rumstemperatur, han lägger till, och, anmärkningsvärt, "kräver bara en liten belastning - vi sträcker MoTe2 med endast 0,4 procent för att se dessa förändringar."

Moores lag förutsäger att antalet transistorer i en tät integrerad krets fördubblas ungefär vartannat år.

Dock, när tekniken närmar sig gränserna för vilka traditionella transistorer kan skalas ner i storlek – när vi når slutet av Moores lag – kan tekniken som utvecklats i Wus labb få långtgående konsekvenser när det gäller att gå förbi dessa begränsningar som strävan efter allt kraftfullare, snabbare beräkningar fortsätter.

Wus plattform har potential att utföra samma funktioner som en transistor med mycket mindre strömförbrukning eftersom ström inte behövs för att behålla konduktivitetstillståndet. Dessutom, det minimerar läckaget av elektrisk ström på grund av den branta sluttningen där enheten ändrar konduktivitet med pålagd grindspänning. Båda dessa problem - hög strömförbrukning och läckage av elektrisk ström - har begränsat prestandan hos traditionella transistorer på nanoskala.

"Detta är den första demonstrationen, Wu tillägger. "Nu är det upp till forskarna att ta reda på hur långt det går."

En fördel med Wus plattform är att den är konfigurerad ungefär som en traditionell transistor, vilket gör det lättare att så småningom anpassa sig till nuvarande elektronik. Dock, mer arbete krävs innan plattformen når det stadiet. För närvarande kan enheten endast fungera 70 till 100 gånger i labbet innan enheten misslyckas. Medan uthålligheten hos andra icke-flyktiga minnen, som blixt, är mycket högre fungerar de också mycket långsammare än den ultimata potentialen hos de stambaserade enheter som utvecklas i Wus labb.

"Tror jag att det är en utmaning som kan övervinnas? Absolut, säger Wu, som kommer att arbeta med problemet med Hesam Askari, en biträdande professor i maskinteknik vid Rochester, också medförfattare på tidningen. "Det är ett materialtekniskt problem som vi kan lösa när vi går framåt i vår förståelse av hur det här konceptet fungerar."

De kommer också att utforska hur mycket belastning som kan appliceras på olika tvådimensionella material utan att få dem att gå sönder. Att bestämma den yttersta gränsen för konceptet kommer att hjälpa forskare till andra fasförändringsmaterial när tekniken går framåt

Wu, som avslutade sin Ph.D. i fysik vid University of California, Berkeley, var postdoktor vid Materials Science Division vid Argonne National Laboratory innan han började på University of Rochester som biträdande professor vid Institutionen för elektro- och datorteknik och Institutionen för fysik 2017.

Han började med en enda student i sitt labb — Arfan Sewaket '19, som tillbringade sommaren som Xerox Research Fellow. Hon hjälpte Wu att sätta upp ett tillfälligt labb, sedan var den första att testa enhetskonceptet och den första att demonstrera dess genomförbarhet.

Sedan dess, fyra doktorander i Wus labb — huvudförfattare Wenhui Hou, Ahmad Azizimanesh, Tara Pen?a, och Carla Watson "har gjort så mycket arbete" för att dokumentera enhetens egenskaper och förfina den, skapa omkring 200 olika versioner hittills, säger Wu. Alla är listade med Sewaket som medförfattare, tillsammans med Askari och Ming Liu från Xi'an Jiaotong University i Kina.