Einsatz von Winkeln zur Verbesserung der Zukunft der Elektronik

Nanotechnologie ist ein Begriff, der sich auf eine Vielzahl von Bereichen bezieht, von Kleidung und Autolacken bis hin zu Sportgeräten und Elektronik. Letztendlich bezieht sich alles auf eine Größe, den Nanometer (nm) und die Fähigkeit der Menschheit, die einzigartigen Phänomene, die in dieser Dimension auftreten, zu verstehen, zu kontrollieren und zu manipulieren. Perspektivisch ist ein Blatt Papier etwa 100.000 nm dick. (klicken Sie für eine interaktive IBM Nanotechnologie-Zeitleiste)

Bei IBM Research und in einigen Projekten mit staatlicher Unterstützung erforschen Wissenschaftler die Nanoskala, um die Leistungsdichte und Energieeffizienz elektronischer Geräte zu verbessern, darunter alles von Mobiltelefonen über IoT-Sensoren bis hin zu riesigen Cloud-Rechenzentren.

Abb 1 :Das schlüsselförmige Gerät in Nanogröße kann wie Hände an einem Schloss von 0 bis 360 Grad gedreht werden, was als Schalter zum Ein- und Ausschalten des Stroms eines Tunnel-Feldeffekttransistors verwendet werden könnte.

Ein solches Projekt wird vom Wissenschaftler Elad Koren vom IBM-Labor in Zürich geleitet. In dem Projekt, das im Rahmen des Ambizione-Programms des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) gefördert wird, konzentriert sich das Team auf das Verständnis der grundlegenden Physik des Stapelns von 2D-Materialien, einschließlich des derzeit beliebten Graphens.

Obwohl es viel Hype um Graphen gibt, gilt es aufgrund seiner überlegenen elektronischen Eigenschaften als eines der vielversprechendsten Materialien für zukünftige elektronische Halbleiter- und Quantenbauelemente. Es weist auch reiche physikalische Eigenschaften auf, je nachdem, wie es auf einem anderen 2D-Kristall gestapelt wird, und hier wird es wirklich interessant und ein wenig kompliziert.

Wenn die beiden gestapelten Schichten aus demselben Material wie Graphen bestehen, entsteht unter bestimmten Winkeln ein spezieller Satz periodischer 2D-Übergitter. Eine solche Fehlanpassung kann auch eine Bandlücke in zweischichtigen Graphensystemen verursachen, was einen der ersten Schritte zum Bau von Transistorbauelementen für elektronische Bauelemente der nächsten Generation darstellt, die leistungsstärker und dennoch energieeffizienter sind.

Koren und seine Kollegen veröffentlichten ihre ersten Ergebnisse in der September-Ausgabe 2016 des Peer-Review-Journals Nature Nanotechnology . In der Veröffentlichung demonstrierte das Team, wie es mithilfe der scharfen Spitze eines Rasterkraftmikroskops genau kontrollieren kann, was wie ein gewöhnlicher Hausschlüssel aussieht (Abb. 1).

Das schlüsselförmige Gerät in Nanogröße kann wie Hände auf einem Schloss von 0 bis 360 Grad gedreht werden, was als Schalter zum Ein- und Ausschalten des Stroms eines Tunnel-Feldeffekttransistors (TFET) verwendet werden könnte, ein wichtiger Schritt in Reduzierung von Energieverlusten in elektronischen Geräten.

„Wir haben eine beispiellose Genauigkeit bei der Steuerung der Rotationskonfiguration mit einer Winkelauflösung von besser als 0,1 Grad erreicht. Dadurch können wir sowohl die grundlegende Natur des Stapels erforschen als auch sein volles Potenzial ausschöpfen“, sagte Koren.

Gemessener Strom Fließen durch die verdrillte Graphit-Nanostruktur mit einem Vorspannungspotential von V =50 mV, während der Hebelarm kontinuierlich gedreht wird. Einschub:Impuls-Raum-Darstellung der zweischichtigen Graphenkopplung bei entsprechenden Verdrehungswinkeln θ=21,8° und 38,2°.

Die Möglichkeit, die Stapelkonfiguration mit hoher Winkelgenauigkeit zu steuern, ermöglicht die Steuerung und Konstruktion vieler physikalischer Eigenschaften und die Realisierung neuer neuartiger Materialien in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technologie, wie z. B.:Elektronik, Optik, Thermoelektrik und Elektromechanik.

Das Gerät ermöglicht auch einen hohen magnetischen Fluss innerhalb einer Einkristallzelle, die den berühmten Hofstadter-Schmetterling erzeugt, das theoretische Verhalten von Elektronen unter einem starken Magnetfeld und einem periodischen Potenzial.

Die Reibungsgesetze entgehen dem Nano-Regime nicht und selbst in diesem kleinen Maßstab wird Reibung zu einer Herausforderung für das schlüsselförmige Gerät und wie wir wissen, verursacht Reibung Wärme, Verschleiß und leitet Energie ab – eine unglückliche Eigenschaft in dieser Größenordnung.

Unglaublicherweise unterdrückt die Rotationsfehlanpassung in 2D-Schichtsystemen stark die Reibung und die Energiedissipation, ein Effekt, der als Superschmierung bekannt ist.

„Es gibt praktisch keine Reibung. Es basiert einfach darauf, den richtigen Winkel zu finden“, fügt Koren hinzu.

Koren hofft, dass durch das Teilen seiner Forschung mit anderen auf diesem Gebiet neue Materialien und Gerätedesigns entstehen.