Sedan upptäckten av grafen, tvådimensionella material har varit i fokus för materialforskning. Bland annat, de kan användas för att bygga små, högpresterande transistorer. Forskare vid ETH Zürich och EPF Lausanne har nu simulerat och utvärderat hundra möjliga material för detta ändamål och upptäckt 13 lovande kandidater.

Med den ökande miniatyriseringen av elektroniska komponenter, forskare kämpar med oönskade biverkningar:När det gäller transistorer i nanometerskala av konventionella material som kisel, kvanteffekter uppstår som försämrar deras funktionalitet. En av dessa kvanteffekter, till exempel, är ytterligare läckströmmar, dvs strömmar som flyter "vilse" och inte via ledaren mellan käll- och dräneringskontakterna. Man tror därför att Moores skalningslag, som säger att antalet integrerade kretsar per ytenhet fördubblas var 12-18 månad, kommer att nå sina gränser inom en snar framtid på grund av de ökande utmaningarna i samband med miniatyrisering av deras aktiva komponenter. Detta innebär i slutändan att de för närvarande tillverkade kiselbaserade transistorerna-kallade FinFETs och utrustar nästan varje superdator-inte längre kan göras godtyckligt mindre på grund av kvanteffekter.

Tvådimensionella ledsteg för hopp

Dock, en ny studie av forskare vid ETH Zürich och EPF Lausanne visar att detta problem kan övervinnas med nya tvådimensionella (2-D) material-eller åtminstone är det vad de simuleringar som de har utfört på "Piz Daint" superdator föreslår .

Forskargruppen, ledd av Mathieu Luisier från Institute for Integrated Systems (IIS) vid ETH Zürich och Nicola Marzari från EPF Lausanne, använde de forskningsresultat som Marzari och hans team redan hade uppnått som grund för deras nya simuleringar:Tillbaka 2018, 14 år efter upptäckten av grafen först klargjordes att tvådimensionella material kunde produceras, de använde komplexa simuleringar på "Piz Daint" för att sålla genom en pool på mer än 100, 000 material; de extraherade 1, 825 lovande komponenter från vilka 2-D materialskikt kunde erhållas.

Forskarna valde 100 kandidater från dessa mer än 1, 800 material, var och en består av ett monoskikt av atomer och kan vara lämplig för konstruktion av ultrakalade fälteffekttransistorer (FET). De har nu undersökt deras egenskaper under "ab initio" -mikroskopet. Med andra ord, de använde CSCS -superdatorn "Piz Daint" för att först bestämma atomstrukturen för dessa material med hjälp av densitetsfunktionell teori (DFT). De kombinerade sedan dessa beräkningar med en så kallad Quantum Transport solver för att simulera elektron- och hålströmmen genom de praktiskt taget genererade transistorerna. Den använda Quantum Transport Simulator utvecklades av Luisier tillsammans med ett annat ETH -forskargrupp, och den underliggande metoden tilldelades Gordon Bell -priset 2019.

Hitta den optimala 2-D-kandidaten

Den avgörande faktorn för transistorns livskraft är om strömmen kan styras optimalt med en eller flera grindkontakter. Tack vare den ultratunna karaktären hos 2-D-material-vanligtvis tunnare än en nanometer-kan en enda grindkontakt modulera flödet av elektroner och hålströmmar, därmed helt och hållet slå på och stänga av en transistor.

"Även om alla 2-D-material har denna egenskap, inte alla lämpar sig för logikapplikationer, "Luisier betonar, "bara de som har ett tillräckligt stort bandgap mellan valensbandet och ledningsbandet." Material med ett lämpligt bandgap förhindrar så kallade tunneleffekter av elektronerna och därmed läckströmmarna som orsakas av dem. Det är just dessa material som forskarna letade efter i sina simuleringar.

Deras mål var att hitta 2-D-material som kan leverera en ström större än 3 milliamper per mikrometer, både som transistorer av n-typ (elektrontransport) och som transistorer av p-typ (håltransport), och vars kanallängd kan vara så liten som 5 nanometer utan att försämra kopplingsbeteendet. "Först när dessa villkor är uppfyllda kan transistorer baserade på tvådimensionella material överträffa konventionella Si FinFET, säger Luisier.

Bollen ligger nu på försöksforskarnas plan

Med hänsyn till dessa aspekter, forskarna identifierade 13 möjliga 2-D-material som framtida transistorer kan byggas med och som också kan möjliggöra en fortsättning av Moores skalningslag. Några av dessa material är redan kända, till exempel svart fosfor eller HfS ₂ , men Luisier betonar att andra är helt nya - föreningar som Ag ₂ N ₆ eller O. ₆ Sb ₄ .

"Vi har skapat en av de största databaserna för transistormaterial tack vare våra simuleringar. Med dessa resultat, vi hoppas kunna motivera experimentalister som arbetar med 2-D-material för att exfoliera nya kristaller och skapa nästa generations logiska switchar, "säger ETH -professorn. Forskargrupperna som leds av Luisier och Marzari arbetar nära tillsammans på National Center of Competence in Research (NCCR) MARVEL och har nu publicerat sina senaste gemensamma resultat i tidskriften ACS Nano . De är övertygade om att transistorer baserade på dessa nya material kan ersätta de som är gjorda av kisel eller av de för närvarande populära övergångsmetalldikalkogeniderna.