Wetenschappers creëren bepantsering voor kwetsbare kwantumtechnologie

Een internationaal team van wetenschappers heeft het equivalent van kogelvrije vesten uitgevonden voor extreem kwetsbare kwantumsystemen, waardoor ze robuust genoeg zijn om te worden gebruikt als basis voor een nieuwe generatie energiezuinige elektronica.

De wetenschappers hebben het pantser aangebracht door druppels vloeibaar metaal gallium zachtjes op de materialen te drukken en ze te bedekken met galliumoxide.

Bescherming is cruciaal voor dunne materialen zoals grafeen, die slechts een enkele atoom dik zijn – in wezen tweedimensionaal (2-D) – en dus gemakkelijk beschadigd kunnen raken door conventionele laagtechnologie, zei Matthias Wurdack, die de hoofdauteur is van de groep. publicatie in Geavanceerde materialen.

“De beschermende coating werkt in wezen als een kogelvrije vest voor het atomair dunne materiaal, het beschermt tegen hoogenergetische deeltjes, die het een grote mate van schade zouden toebrengen, terwijl de opto-elektronische eigenschappen en functionaliteit volledig behouden blijven”, aldus dhr. Wurdack , een Ph.D. student in het Nonlinear Physics Center (NLPC) van de Research School of Physics en het FLEET ARC Center of Excellence.

De nieuwe techniek maakt de weg vrij voor een industrie gebaseerd op ultradunne elektronica om uit te breiden, zei leider van het onderzoeksteam, professor Elena Ostrovskaya, ook van NLPC en FLEET.

“Tweedimensionale materialen hebben buitengewone eigenschappen, zoals een extreem lage weerstand of zeer efficiënte interacties met licht.”

“Vanwege deze eigenschappen kunnen ze een grote rol spelen in de strijd tegen klimaatverandering.”

Acht procent van het wereldwijde elektriciteitsverbruik in 2020 was te danken aan informatietechnologieën, waaronder computers, smartphones en grote datacenters van technische giganten als Google en Amazon. Dat cijfer zal naar verwachting elk decennium verdubbelen naarmate de vraag naar AI-services en slimme apparaten omhoog schiet.

Dit werk belooft echter energiezuinige alternatieven voor elektronica en opto-elektronica, door gebruik te maken van de superieure prestaties van 2-D halfgeleidende materialen, zoals wolfraamdisulfide, dat in deze studie werd gebruikt.

Het gebruik van 2-D-materialen om efficiëntere apparaten te maken, heeft voordelen die verder gaan dan een verminderde CO2-uitstoot, zegt de heer Wurdack.

“2D-technologie kan ook superefficiënte sensoren op ruimtevaartuigen mogelijk maken, of processors in Internet of Things-apparaten die minder worden beperkt door de levensduur van de batterij.”

Het team creëerde hun beschermende laag door een druppel vloeibaar gallium aan de lucht bloot te stellen, die onmiddellijk een perfect gelijkmatige laag galliumoxide vormde op het oppervlak van slechts drie nanometer dik.

Door de druppel op het 2D-materiaal met een glaasje plat te drukken, kan de galliumoxidelaag van het vloeibare gallium op het volledige oppervlak van het materiaal worden overgebracht, tot op centimeters in schaal.

Omdat dit ultradunne galliumoxide een isolerend amorf glas is, behoudt het de opto-elektronische eigenschappen van de onderliggende 2-D halfgeleider. Het galliumoxideglas kan deze eigenschappen ook versterken bij cryogene temperaturen en beschermt goed tegen andere materialen die erop worden afgezet. Dit maakt de fabricage mogelijk van geavanceerde, gelaagde elektronische en optische apparaten op nanoschaal, zoals lichtemitterende diodes, lasers en transistors.

“We hebben een mooi alternatief voor bestaande technologie ontwikkeld dat kan worden geschaald voor industriële toepassingen”, aldus Wurdack.

“We hopen industriële partners te vinden om met ons samen te werken om een ​​beschermlaagprinter te ontwikkelen op basis van deze technologie, die in elk laboratorium kan worden gebruikt, zoals een lithografiemachine.”

“Het zou spannend zijn om fundamenteel onderzoek als dit zijn weg naar de industrie te zien vinden!”

“Ultradunne Ga₂O₃ Glas: een grootschalig passiverings- en beschermingsmateriaal voor monolaag WS₂“werd gepubliceerd in Geavanceerde materialen in december 2020.