Gedrehte 2D-Materialien Nutzen Zur Revolutionierung Der Elektronik

Nanotechnologie bezieht sich auf Manipulation von Materie im Maßstab weniger Nanometer (nm). Zum Kontext: Ein Blatt Papier ist grob 100.000 nm dick. Durch Beherrschen der einzigartigen Phänomene, die an dieser Skala emergieren, können Wissenschaftler Devices entwickeln, die kleiner, schneller und energieeffizienter sind.

Bei IBM Research, und mit Support von Regierungs-Partnern, sondieren Forscher die Nanoskala, um Power Density und Energieeffizienz über das gesamte Elektronik-Spektrum zu boosten – von Smartphones und IoT-Sensoren bis zu massiven Cloud-Rechenzentren, die das Internet antreiben.

Figure 1: Ein nano-großes Schlüsselförmiges Device, das 0°–360° rotiert werden kann und als Schalter fungiert, um den Strom in einem Tunnel-Feldeffekt-Transistor (TFET) zu kontrollieren.

Eine bahnbrechende Anstrengung wird von Dr. Elad Koren von IBMs Zürich-Labor geleitet. Gefördert vom Swiss National Science Foundation's Ambizione Programm, untersucht das Team die fundamentale Physik des Stapelns zweidimensionaler (2D) Materialien, mit besonderem Fokus auf Graphen.

Graphens außergewöhnliche elektronische Eigenschaften machen es zum Frontrunner für zukünftige Halbleiter- und Quantengeräte. Wenn zwei identische Graphenlagen bei präzisen relativen Winkeln gestapelt werden, bilden sie periodische Supergitter, die ein Bandgap öffnen können – ein essenzieller Schritt zur Erschaffung Next-Gen-Transistoren, die sowohl powerful als auch energieeffizient sind.

Im September 2016 veröffentlichten Koren und Kollegen erste Ergebnisse im peer-reviewten Journal Nature Nanotechnology. Mittels Spitze eines Rasterkraftmikroskops erreichten sie Sub-Grad-Kontrolle über die rotationale Ausrichtung der Lagen und produzierten das schlüsselförmige Device in Figure 1.

Das Device kann durch volle 360° rotieren und fungiert als ultra-präziser Schalter für einen TFET. Diese Kapazität ist kritisch für Minimierung von Leckströmen und Reduktion des Gesamtenergieverbrauchs elektronischer Schaltkreise.

„Wir haben beispiellose Genauigkeit in Kontrolle der rotationalen Konfiguration mit winkelmäßiger Auflösung besser als 0,1° erreicht, was sowohl fundamentale Studien als auch Realisierung praktischer Devices ermöglicht“, sagte Koren.

Gemessener Strom durch verdrehte Graphit-Nanostruktur bei 50 mV Bias während kontinuierlicher Rotation des Hebelarms. Inset: Momentum-Space-Darstellung von Bilayer-Graphen-Kopplung bei kommensurablen Twist-Winkeln von 21,8° und 38,2°.

Präzise Kontrolle über den Stapelwinkel erlaubt Ingenieuren, ein breites Spektrum physikalischer Eigenschaften zu tailor – elektronische, optische, thermoelektrische und elektromechanische – und eröffnet Avenues für innovative Materialien across Science und Technology.

Wenn eine einzelne Kristallzelle verdreht wird, generiert sie hohen magnetischen Flux, der zu Hofstadters Schmetterling führt – einem theoretischen Pattern, das Elektronenverhalten in starken Magnetfeldern kombiniert mit periodischen Potenzialen beschreibt.

Reibung bleibt eine Herausforderung selbst auf der Nanoskala, wo sie Hitze, Verschleiß und Energieverlust generieren kann. Jedoch unterdrückt der rotationale Mismatch in 2D-geschichteten Systemen Reibung dramatisch, ein Phänomen bekannt als Superlubrizität.

„Es gibtvirtuell keine Reibung – einmal den richtigen Winkel gefunden, gleiten die Lagen smooth“, erklärte Koren.

Durch Teilen dieser Findings mit der breiteren Forschungscommunity hofft Koren, neuartige Material- und Device-Konzepte zu inspirieren, die die Zukunft der Elektronik formen werden.