Зонная структура двумерных материалов, таких как дисульфид вольфрама, имеет «долины», которые обеспечивают способ кодирования информации с использованием электрона. Фото: IOP Publishing Рисунок 1 из Nano Futures 2, 032001 (2018)

Исследования по использованию двумерных (2-D) материалов для бытовых устройств имели некоторые взлеты и падения. Тем не менее, развивающаяся область долинной электроники использует энергетические корыта, чтобы предложить новый потенциал.

По словам Джонсона Го, старшего научного сотрудника Института исследования и разработки материалов A * STAR, двумерные и другие очень тонкие материалы могут вскоре использовать долотроники для передачи информации. Го утверждает, что комбинация все более доступных методов производства двумерных материалов и применение таких технологий, как Valleytronics, могут быстро действовать вместе, чтобы уменьшить размеры устройств и потребляемую мощность.

Основная идея состоит в том, чтобы передавать информацию через двумерные и другие очень тонкие проводящие материалы, используя энергетические «долины» (или экстремумы энергии) в их зонах проводимости и валентности (энергетические зоны, вокруг которых электроны вращаются вокруг ядра атома). По словам Го, информацию можно передавать, контролируя связь электрона с долиной – манипулирование, которое может быть достигнуто с помощью электрических полей, магнитных полей и циркулярно поляризованного света.

Например, в дисульфиде молибдена, который представляет собой двумерный материал, наличие двух неэквивалентных долин означает, что информация может храниться в двоичном виде в зависимости от того, в какой долине находится электрон: одна долина может представлять ноль, а другая может представлять один. Эта информация затем может быть использована для вычислений или памяти.

Быстрее, лучше, сильнее: 2-D полупроводники и долотроники

Го утверждает, что комбинация долонтроники и двумерных или очень тонких материалов обеспечит целый ряд функциональных возможностей в наноэлектронных и нанофотонных устройствах, которые невозможно реализовать с помощью существующих полупроводниковых технологий на основе кремния. Например, Valleytronics позволит манипулировать электронами в двумерных материалах при более низких энергиях, чем обычные устройства.

Информация передается в большинстве современных устройств с использованием потока заряженных электронов. Помимо того, что часто требуется больше электронов для связи, этот метод страдает от «скученности» электронов, и их столкновение приводит к рассеянию и некоторой потере энергии электронов в виде тепла. В долинтронике, с другой стороны, потери на рассеяние могут быть подавлены, потому что электроны в энергетических долинах несколько защищены от толчков.

По словам Го, данные также можно надежнее хранить в материалах Valleytronics, чем в традиционных системах хранения данных. «Долина является свойством всего материала, и поэтому состояния долины разрушаются только в том случае, если материал значительно модифицирован или перестает существовать», – объясняет он. «Таким образом, вместо того, чтобы кодировать информацию в электрические заряды, которые могут быть потеряны при рассеянии, кодирование информации в состояниях долины должно быть более устойчивым из-за уникальной связи вращения электрона с долиной».

В настоящее время Гох и другие исследователи в IMRE разрабатывают ряд новых и полезных 2-D полупроводниковых приборов для этой технологии, регулируя их состав для настройки запрещенных зон и, таким образом, управляя их свойствами проводимости.

Тем не менее, для создания бинарной информационной системы, использующей долинные состояния двумерного материала, также важно различать, с какой долиной связан заряд, используя «контраст долины» – это противоположные спины, поддерживаемые долинами с противоположными индексами. Дихалькогениды переходных металлов, такие как дисульфид молибдена, оказались полезными для команды, так как они уже имеют две отдельные долины с присущим контрастом, что устраняет необходимость реорганизации этих материалов, чтобы иметь это свойство.

 

Лаборатория ученого Джонсона Го * STAR оснащена самым современным оборудованием для исследования двумерных материалов

Лаборатория ученого Джонсона Го * STAR оснащена самым современным оборудованием для исследования двумерных материалов. Фото: A * STAR

Го и его команда также пытаются добавить к известному списку материалов это ключевое свойство. За последние два года в сотрудничестве с Национальным университетом Сингапура они собрали набор инструментов для определения размеров двумерных материалов с учетом контраста их долины.

Готовые к продаже двумерные материалы большой площади

В то же время коллеги Го преодолевают одно из основных препятствий на пути коммерциализации этой технологии. Поиск надежных и масштабируемых методов производства для крупномасштабной электроники требует техник, которые могут формировать двумерные материалы с одинаковой толщиной и электрическими свойствами в областях, по меньшей мере, таких, как четырехдюймовая пластина: стандартный размер подложки, используемый в электронной промышленности.

Чтобы сделать это, Го обратился к коллеге IMRE Донгчжи Чи, который находит способы изготовления двумерных полупроводниковых материалов большой площади, используя метод, известный как химическое осаждение из паровой фазы. Этот метод формирует материалы, подвергая высокотемпературную основу воздействию газов, несущих нужные атомы.

Чи и его команда уже добились некоторых важных успехов, контролируя разброс концентрации химических паров дисульфида молибдена во время этого процесса. Благодаря введению тонкой барьерной ловушки из оксида никеля для снижения концентраций химических веществ в парах, они улучшили однородность и качество материала осаждения. «Преимущество этого подхода перед другими заключается в легкости, – говорит Чи, – в нем используются химические порошки с низкой токсичностью и минимальным введением химических веществ, помимо химических элементов, в сам осаждаемый материал, молибден и серу».

Доказательство концепции устройства

Го говорит, что его команда стремится продемонстрировать свои первые проверенные на практике устройства к началу 2019 года. Он говорит, что они будут включать устройства, которые используют Valleytronics для выполнения простых задач, таких как включение или выключение устройства.

Однако он добавляет, что, если электроны долины будут переведены в состояния суперпозиции, они могут создать кубит – фундаментальную единицу для квантовых вычислений. На самом деле, Го видит большие выгоды для долинтроники в будущем в своих возможных приложениях для «электроники, такой как маломощные периферийные вычисления и в конечном итоге надежные квантовые вычисления».

Меньшие устройства означают меньшие расстояния для перемещения информации, и поэтому долинная электроника и квантовые вычисления предлагают преимущества в скорости обработки данных. Это было отмечено людьми, пытающимися использовать вращение атомов для квантовых вычислений. Тем не менее, долинотроника может иметь преимущество в спинтронике, поскольку квантовый спин тесно связан с магнитными полями, что может вызвать проблемы со стабильностью, которые не столь проблематичны в долинтронике.

Поэтому Го считает, что создание квантовых компьютеров, использующих состояния долины, станет ключом к открытию всего двумерного поля материалов для коммерциализации. «Квантовые вычисления помогут нам продемонстрировать преимущества двумерных материалов перед классической электроникой. В случае успеха компании могут более охотно инвестировать в инфраструктуру, необходимую для разработки еще более качественных двухмерных материалов и превращения их в действительно разрушительные технологии ».

По материалам сайта phys.org