Vista en sección transversal de la pila de materiales bidimensionales. El electrolito de monocapa en el medio permite que los iones (esferas rosadas) se alternen entre dos ubicaciones. La ubicación de los iones establece el estado de la memoria. Crédito:Fullerton Group
Durante los últimos sesenta años, la industria electrónica y el consumidor medio se han beneficiado de la miniaturización continua, mayor capacidad de almacenamiento y menor consumo de energía de los dispositivos electrónicos. Sin embargo, esta era de escalamiento que ha beneficiado a la humanidad está llegando a su fin rápidamente. Para seguir reduciendo el tamaño y el consumo de energía de la electrónica, se necesitan nuevos materiales y nuevos enfoques de ingeniería.
Susan Fullerton, profesor asistente de ingeniería química y del petróleo en la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh, está abordando ese desafío mediante el desarrollo de la electrónica de próxima generación basada en todos los materiales bidimensionales. Estos materiales "todos 2-D" son similares a una hoja de papel, si el papel tuviera sólo una molécula de espesor. Su investigación sobre estos materiales superdelgados fue reconocida por la National Science Foundation con $ 540, 000 premio CARRERA, que apoya a los profesores que inician su carrera y que tienen el potencial de servir como modelos académicos en la investigación y la educación y para liderar los avances en la misión de su departamento u organización.
"El advenimiento de nuevos paradigmas informáticos está empujando el límite de lo que pueden proporcionar los dispositivos semiconductores tradicionales, "Dijo el Dr. Fullerton." Por ejemplo, el aprendizaje automático requerirá velocidades de respuesta de nanosegundos, operación de subvoltios, 1, 000 estados de resistencia distintos, y otros aspectos que ninguna tecnología de dispositivo existente puede proporcionar.
"Sabemos desde hace mucho tiempo que los iones, como los de las baterías de iones de litio, son muy buenos para controlar cómo se mueve la carga en estos semiconductores ultradelgados, ", señaló." En este proyecto, estamos reinventando el papel de los iones en la electrónica de alto rendimiento. Al colocar capas sucesivas del tamaño de una molécula una encima de la otra, nuestro objetivo es aumentar la capacidad de almacenamiento, disminuir el consumo de energía, y acelerar enormemente la velocidad de procesamiento ". 1
Para construir este dispositivo todo 2-D, Fullerton y su grupo inventaron un nuevo tipo de material que contiene iones, o electrolito, que tiene solo una molécula de espesor. Este "electrolito monocapa" finalmente introducirá nuevas funciones que pueden ser utilizadas por la comunidad de materiales electrónicos para explorar las propiedades fundamentales de nuevos materiales semiconductores y para desarrollar componentes electrónicos con características de dispositivo completamente nuevas.
Esquema de dispositivo de memoria nanoiónica a desarrollar en este premio CAREER. Las láminas molecularmente delgadas se apilan unas sobre otras para crear una memoria ultradelgada basada en iones que interactúan con materiales bidimensionales. Crédito:Fullerton Group
Según el Dr. Fullerton, Hay varios espacios de aplicación importantes donde los materiales y enfoques desarrollados en esta investigación CAREER podrían tener un impacto:almacenamiento de información, computación inspirada en el cerebro, y seguridad, en particular.
Además de desarrollar los electrolitos monocapa, el premio NSF apoyará a un Ph.D. estudiante e investigador postdoctoral, así como un programa de divulgación para inspirar la curiosidad y el compromiso de los estudiantes K-12 y los estudiantes subrepresentados en materiales para la electrónica de próxima generación. Específicamente, El Dr. Fullerton ha desarrollado una actividad en la que los estudiantes pueden ver los electrolitos poliméricos utilizados en este estudio cristalizar en tiempo real utilizando una cámara económica conectada a un teléfono inteligente o iPad. El premio CAREER permitirá al Dr. Fullerton proporcionar este microscopio a las aulas para que los maestros puedan continuar explorando con sus estudiantes.
"Cuando los estudiantes tienen ese microscopio portátil en sus manos, se vuelven realmente creativos, ", dijo." Después de ver lo que le sucede al polímero, van a explorar. Miran la piel de su brazo el chicle de la boca, o los detalles de la tela en su ropa. Es sorprendente ver cómo esta herramienta relativamente económica despierta la curiosidad en los materiales que los rodean. y ese es el objetivo principal ".
La Dra. Fullerton señaló que su investigación adopta un enfoque verdaderamente novedoso para la utilización de iones, que tradicionalmente ha sido evitado por la comunidad de semiconductores.
"Los iones a menudo se ignoran porque si no puede controlar su ubicación, pueden arruinar un dispositivo. Entonces, la idea de usar iones no solo como una herramienta para explorar propiedades fundamentales, pero como componente integral del dispositivo es extremadamente emocionante y arriesgado, "explicó el Dr. Fullerton." Si se adopta, iones acoplados con materiales 2-D podrían representar un cambio de paradigma en la computación de alto rendimiento porque necesitamos materiales completamente nuevos con propiedades y físicas nuevas y emocionantes que ya no estén limitadas por el tamaño ".
