Atominiu mastu sumažinta kontaktinė varža PtSe2: nauja

Įsivaizduokite, kad autostrada sutraukiama į vieną juostą, o eismas vis tiek vyksta sklandžiai. Ši metafora padeda paaiškinti, ką Pietų Korėjos mokslininkai ką tik sugebėjo padaryti su elektra atominiame lygyje: pašalinti siaurą vietą, kuri ilgą laiką ribojo naujos kartos lustus.

Kai inžinieriai mažina tranzistorius, vienas užsispyręs kamštis nuolat pasikartoja. Problema nėra kanale, kuris perneša srovę; dažnai jis praleidžia srovę puikiai. Kliūtis yra kontaktas, kuriuo metaliniai elektrodai tiekia krūvį į puslaidininkį. Ta maža riba švaisto energiją, įkaitina įrenginius ir sumažina daugumą našumo privalumų, kurių tikisi iš mažesnių geometrijų.

Infografikas apie tyrimą. 

Komanda, vadovaujama profesoriaus Seungbum Hong iš KAIST, kartu su profesoriais Kibum Kang ir Sung Beom Cho, aplenkė šią problemą atlikdami kažką paprasto ir elegantiško: jie nustojo jungti dvi skirtingas medžiagas. Vietoje to jie suformavo vieną platinos diselenido plėvelę PtSe2 taip, kad storesnės sritys elgiasi kaip semimetalas, o plonesnės sritys veikia kaip puslaidininkis. Rezultatas yra monolitinis įrenginys, kuriame laidžios ir puslaidininkinės zonos pereina viena į kitą be fizinės siūlės.

Įrodymas, kad elektros srovė teka nanometrų skalėje

Pažadai yra pigūs. Tačiau įrodymas reikalauja stebėti krūvius keliaujant. Tyrėjai pasitelkė atomų jėgos mikroskopiją kartu su plokštuminio srovės aptikimu, kad sužinotų, kaip elektronai juda per storį reguliuotą ribą. Plonas zondas skanavo paviršių, tuo pačiu fiksuodamas elektrinius signalus ir kuriant nanometrų masto srovės žemėlapius. Žurnale Matter paskelbti žemėlapiai parodė esminį dalyką: srovė nesidaugino ir nekaupėsi prie sąsajos. Ji paprasčiausiai tęsėsi.

Tyrimo koncepcinę schemą paaiškina KAIST maskotas (Nubzuki). 

Šis stebėjimas yra svarbus, nes tai pirmasis tiesioginis eksperimentinis įrodymas, kad semimetalinis į puslaidininkinį pereinantis regionas vienoje nuolatinėje 2D plėvelėje gali išsaugoti nevaržomą krūvių transportą. Kitaip tariant, ne visada reikia atskiro metalo kontakto, kad būtų tiekiami nešėjai į itin ploną puslaidininkį; kontaktą galima sukurti iš tos pačios medžiagos kontroliuojant storį.

Jie nesustojo ties vien tik laidumo demonstravimu. Komanda taikė elektrinį lauką plonesnei, puslaidininkinei sričiai ir parodė vartu valdomą elgseną, kuri yra tranzistorių perjungimo pagrindas. Taigi ta pati atominiu lygmeniu vientisa struktūra gali tiek tiekti srovę, tiek veikti kaip aktyvus įrenginio elementas. Kompaktiškumas ir efektyvumas vienoje plėvelėje.

Kodėl PtSe2? Šios medžiagos elektroninės savybės yra neįprastai jautrios storio pokyčiams. Keli papildomi sluoksniai perstumdo ją nuo puslaidininkiškumo link semimetalio, suteikdami tyrėjams natūralų įrankį kurti atskiras elektronines zonas be cheminio apdorojimo ar skirtingų kristalų klijavimo. Tai sumanus fizikos panaudojimas: storis tampa jungikliu.

Yra ir pastabų. Pereiti nuo laboratorinių demonstracijų prie realių lustų reikalauja darbo dėl ilgaamžiškumo, atkuriamumo ir metodų, kaip integruoti šias plėveles į sudėtingus grandynus ant viso plokštelio. Gamybos tolerancijos, terminis stabilumas ir suderinamumas su esamais puslaidininkių procesais reikalauja kruopštaus inžinerinio sprendimo. Tačiau kelias skiriasi nuo įprasto medžiagų sujungimo; čia kalbama apie vienos medžiagos formavimą, kad ji atliktų kelias funkcijas.

(Iš kairės į dešinę) KAIST profesorius Kibum Kang, dr. Minseung Gyeon, daktaro studentas Yeongyu Kim ir profesorius Seungbum Hong; o apskritimuose iš kairės, Sungkyunkwan universiteto daktaro studentas Ji Hoon Hong ir profesorius Sung Beom Cho.

Šios išvados turi platesnių pasekmių už vieną įrenginį. Kaip dirbtinio intelekto akceleratoriai, mažos galios jutikliai ir būsimi loginiai grandynai siekia tankesnės, greitesnės ir vėsesnės elektronikos, kontaktinė varža tapo lemiamu apribojimu. Sumažinus tą varžą neįvedant naujų sąsajų galima sumažinti energijos nuostolius ir leisti inžinieriams tęsti tranzistorių mastelio mažinimą. Tai dizaino filosofija: išnaudoti 2D kristalų įgimtą universalumą, o ne pritaikyti tūrinio masto sprendimus.

Šis darbas yra dalis augančios tendencijos kurti elektroniką inžineriniais atominių kraštovaizdžių metodais, o ne surenkant skirtingas dalis. Galvokite apie tai kaip apie trasos išraižymą į vieną lakštą, o ne atskirų takų sujungimą nepatogiomis sankirtomis. KAIST eksperimentas yra praktinis žingsnis link šios vizijos, parodantis tiek fiziką, tiek funkcionalumą, reikalingą krūviams sklandžiai judėti.

Jei inžinieriai sugebės paversti šias demonstracijas patikimais gamybos metodais, kitas lustų banga gali būti ne tik kompaktiškesnė, bet ir protingiau valdanti elektros srovę. Tai būtų svarbu kiekvienam įrenginiui, kuriam rūpi greitis ir baterijos veikimo laikas, nuo periferinių jutiklių iki didžiulių duomenų centro akceleratorių. Kas būtų pagalvojęs, kad keli atomų sluoksniai gali atrodyti kaip tikras pažanga?