Los físicos de UT Dallas han publicado nuevos hallazgos que examinan las propiedades eléctricas de los materiales que podrían aprovecharse para los transistores y la electrónica de próxima generación.

Dr. Fan Zhang, profesor asistente de física, y el estudiante senior de física Armin Khamoshi publicaron recientemente su investigación sobre dicalcogenuros de metales de transición, o TMD, en el diario Comunicaciones de la naturaleza . Zhang es coautor correspondiente, y Khamoshi es coautor principal del artículo, que también incluye científicos colaboradores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong.

En años recientes, Los científicos e ingenieros se han interesado en los TMD en parte porque son superiores en muchos aspectos al grafeno, un átomo de espesor, Hoja bidimensional de átomos de carbono dispuestos en una red. Desde que se aisló por primera vez en 2004, El grafeno ha sido investigado por su potencial para reemplazar los semiconductores convencionales en transistores, encogiéndolos aún más en tamaño. El grafeno es un conductor excepcional, un material en el que los electrones se mueven con facilidad, con alta movilidad.

"Se pensó que el grafeno podría usarse en transistores, pero en transistores, necesita poder encender y apagar la corriente eléctrica, ", Dijo Zhang." Con grafeno, sin embargo, la corriente no se puede desconectar fácilmente ".

Más allá del grafeno

En su búsqueda de alternativas, los científicos e ingenieros han recurrido a los TMD, que también se puede hacer en delgadas, hojas bidimensionales, o monocapas, solo unas pocas moléculas de espesor.

"Los TMD tienen algo que el grafeno no tiene:una brecha de energía que permite controlar el flujo de electrones, para que la corriente se encienda y apague, ", Dijo Khamoshi." Esta brecha hace que los TMD sean ideales para su uso en transistores. Los TMD también son muy buenos absorbentes de luz polarizada circularmente, para que puedan utilizarse en detectores. Por estas razones, estos materiales se han convertido en un tema de investigación muy popular ".

Uno de los desafíos es optimizar y aumentar la movilidad de electrones en materiales TMD, un factor clave si se van a desarrollar para su uso en transistores, Dijo Khamoshi.

En su proyecto más reciente, Zhang y Khamoshi proporcionaron el trabajo teórico para guiar al grupo de Hong Kong en la construcción capa por capa de un dispositivo TMD y en el uso de campos magnéticos para estudiar cómo viajan los electrones a través del dispositivo. Cada monocapa de TMD tiene tres moléculas de espesor, y las capas se interpusieron entre dos láminas de moléculas de nitruro de boro.

"El comportamiento de los electrones controla el comportamiento de estos materiales, ", Dijo Zhang." Queremos hacer uso de electrones altamente móviles, pero es muy desafiante. Nuestros colaboradores en Hong Kong lograron un progreso significativo en esa dirección al idear una forma de aumentar significativamente la movilidad de los electrones ".

El equipo descubrió que el comportamiento de los electrones en los TMD depende de si se utilizó un número par o impar de capas de TMD.

"Este comportamiento dependiente de la capa es un hallazgo muy sorprendente, "Dijo Zhang." No importa cuántas capas tengas, sino más bien, si hay un número par o impar de capas ".

Física electrónica

Debido a que los materiales TMD operan en la escala de átomos y electrones individuales, los investigadores incorporaron la física cuántica en sus teorías y observaciones. A diferencia de la física clásica, que describe el comportamiento de objetos a gran escala que podemos ver y tocar, la física cuántica gobierna el reino de las partículas muy pequeñas, incluidos los electrones.

En la escala de tamaño de los dispositivos eléctricos cotidianos, los electrones que fluyen a través de los cables se comportan como una corriente de partículas. En el mundo cuántico sin embargo, los electrones se comportan como ondas, y la conductancia transversal eléctrica del material bidimensional en presencia de un campo magnético ya no es como una corriente:cambia en pasos discretos, Dijo Zhang. El fenómeno se llama conductancia de Hall cuántica.

"La conductancia de Quantum Hall podría cambiar paso a paso, o dos pasos por dos pasos, etcétera, ", dijo." Descubrimos que si usamos un número par de capas de TMD en nuestro dispositivo, había una conductancia cuántica de 12 pasos. Si le aplicamos un campo magnético lo suficientemente fuerte, cambiaría en seis pasos a la vez ".

El uso de un número impar de capas combinado con un campo magnético bajo también resultó en una conductancia Hall cuántica de 6 pasos en los TMD, pero bajo campos magnéticos más fuertes, se convirtió en un fenómeno de 3 pasos a 3 pasos.

"El tipo de conductancia de Hall cuántica que predijimos y observamos en nuestros dispositivos TMD nunca se ha encontrado en ningún otro material, ", Dijo Zhang." Estos resultados no solo descifran las propiedades intrínsecas de los materiales TMD, pero también demostrar que logramos una alta movilidad de electrones en los dispositivos. Esto nos da la esperanza de que algún día podamos usar TMD para transistores ".