Een 2-D perspectief: materialen stapelen om een ​​toekomst met laag energieverbruik te realiseren

Wetenschappers hebben een op 2-D materiaal gebaseerde multi-gestapelde structuur ontworpen die bestaat uit wolfraamdisulfide (WS₂) laag ingeklemd tussen hexagonale boornitride (hBN) lagen die interactie op lange afstand tussen opeenvolgende WS vertoont₂ lagen met potentieel voor het verminderen van de complexiteit van het circuitontwerp en het stroomverbruik.

2D-materialen zijn populair onder materiaalwetenschappers vanwege hun lucratieve elektronische eigenschappen, waardoor ze kunnen worden toegepast in fotovoltaïsche cellen, halfgeleiders en waterzuivering. In het bijzonder maken de relatieve fysische en chemische stabiliteit van 2-D-materialen het mogelijk dat ze met elkaar “gestapeld” en “geïntegreerd” worden. In theorie maakt deze stabiliteit van 2D-materialen de fabricage mogelijk van op 2D-materiaal gebaseerde structuren zoals gekoppelde “kwantumputten” (CQW’s), een systeem van op elkaar inwerkende potentiële “putten” of gebieden die zeer weinig energie bevatten, die alleen specifieke energieën voor de deeltjes die erin vastzitten.

CQW’s kunnen worden gebruikt om resonerende tunneldiodes te ontwerpen, elektronische apparaten die een negatieve snelheid van spanningsverandering met stroom vertonen en cruciale componenten zijn van geïntegreerde schakelingen. Dergelijke chips en circuits zijn een integraal onderdeel van technologieën die neuronen en synapsen emuleren die verantwoordelijk zijn voor geheugenopslag in de biologische hersenen.

Bewijs dat 2D-materialen inderdaad kunnen worden gebruikt om CQW’s te maken, een onderzoeksteam onder leiding van Myoung-Jae Lee Ph.D. van Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) ontwierp een CQW-systeem dat één wolfraamdisulfide stapelt (WS₂) laag tussen twee hexagonale boornitride (hBN) lagen. “hBN is een bijna ideale 2-D-isolator met hoge chemische stabiliteit. Dit maakt het een perfecte keuze voor integratie met WS₂, waarvan bekend is dat het een halfgeleider in 2D-vorm is ”, legt prof. Lee uit. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in ACS Nano.

Het team mat de energie van excitonen – gebonden systemen bestaande uit een elektron en een elektron-gat (afwezigheid van elektron) – en trionen (elektronengebonden exciton) voor de CQW en vergeleek ze met die voor dubbellaag WS₂ structuren om het effect van WS te identificeren₂-WS₂ interactie. Ze maten ook de stroom-spanningskarakteristieken van een enkele CQW om zijn gedrag te karakteriseren.

Ze zagen een geleidelijke afname van zowel de exciton- als de trionenergie met een toename van het aantal inzetten en een abrupte afname van de dubbellaag WS₂. Ze schreven deze waarnemingen toe aan een inter-well-interactie over lange afstand en een sterke WS₂-WS₂ interacties in afwezigheid van hBN, respectievelijk. De stroomspanningskarakteristieken bevestigden dat het zich gedraagt ​​als een resonerende tunneldiode.

Dus welke implicaties hebben deze resultaten voor de toekomst van elektronica? Prof. Lee vat samen: “We kunnen resonerende tunneldiodes gebruiken voor het maken van meerwaardige logische apparaten die de circuitcomplexiteit en het computervermogen aanzienlijk verminderen. Dit kan op zijn beurt leiden tot de ontwikkeling van elektronica met een laag vermogen.”

Deze bevindingen zullen zeker een revolutie teweegbrengen in de elektronica-industrie met halfgeleiderchips en circuits met extreem laag vermogen, maar wat spannender is, is waar deze chips ons naartoe kunnen brengen, omdat ze kunnen worden gebruikt in toepassingen die neuronen en synapsen nabootsen, die een rol spelen in het geheugen. opslag in het biologische brein. Dit 2D-perspectief kan dus het volgende grote ding zijn in kunstmatige intelligentie.