La investigación sobre el aprovechamiento de materiales bidimensionales (2-D) para dispositivos cotidianos ha tenido algunos altibajos. Sin embargo, el campo emergente de Valleytronics está utilizando canales de energía para ofrecer un potencial renovado.

Según Johnson Goh, un científico senior en el Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales de A * STAR, El 2D y otros materiales muy delgados pronto podrían utilizar Valleytronics para transmitir información. Goh afirma que una combinación de métodos de producción de material 2-D cada vez más asequibles y la aplicación de técnicas como Valleytronics podrían actuar rápidamente en conjunto para reducir el tamaño de los dispositivos y las necesidades de consumo de energía.

La idea básica es pasar información a través de 2-D y otros materiales conductores muy delgados utilizando los 'valles' de energía (o extremos de energía) en sus bandas de conducción y valencia (las bandas de energía alrededor de las cuales los electrones orbitan el núcleo de un átomo). Información, dice Goh, se puede transmitir controlando la asociación de un electrón con un valle, una manipulación que se puede lograr utilizando campos eléctricos, campos magnéticos y luz polarizada circularmente.

Por ejemplo, en disulfuro de molibdeno, que es un material 2-D, la presencia de dos valles desiguales significa que la información se puede almacenar de manera binaria en función del valle en el que reside un electrón:un valle podría representar un cero, mientras que el otro podría representar uno. Esta información se puede utilizar luego para cálculos o memoria.

Más rápido, mejor, más fuerte:semiconductores 2-D y Valleytronics

Goh sostiene que una combinación de Valleytronics y 2-D o materiales muy delgados permitirá una gran cantidad de funcionalidades en dispositivos nanoelectrónicos y nanofotónicos que no se pueden lograr con la tecnología de semiconductores basada en silicio existente. Por ejemplo, Valleytronics permitiría manipular el transporte de electrones en materiales 2-D a energías más bajas que los dispositivos convencionales.

La información se transmite en la mayoría de los dispositivos actuales mediante un flujo de electrones cargados. Además de requerir a menudo más electrones para comunicarse, este método sufre un "apiñamiento" de electrones y su empuje da como resultado la dispersión y cierta pérdida de energía de los electrones en forma de calor. En Valleytronics, por otra parte, Las pérdidas por dispersión pueden suprimirse porque los electrones en los valles de energía están algo protegidos de los empujones.

Los datos también se pueden almacenar de manera más sólida en materiales Valleytronics que en los sistemas de almacenamiento de datos convencionales. Goh dice. "El valle es propiedad de todo el material, y así los estados del valle se destruyen solo si el material se modifica significativamente o deja de existir, ", explica." Entonces, en lugar de codificar información en cargas eléctricas que se pueden perder por dispersión, la codificación de información en estados de valle debería ser más duradera debido al acoplamiento único del espín del electrón con el valle ".

En la actualidad, Goh y otros investigadores del IMRE están diseñando una serie de semiconductores 2-D nuevos y útiles para esta tecnología ajustando su composición para sintonizar los huecos de banda y así controlar sus propiedades de conducción.

Sin embargo, para crear un sistema de información binario utilizando los estados de valle de un material 2-D, También es vital diferenciar con qué valle se asocia una carga mediante el uso de "contraste de valle", que son giros opuestos alojados por valles con índices opuestos. Dicalcogenuros de metales de transición, como el disulfuro de molibdeno, han demostrado ser útiles para el equipo, ya que estos ya tienen dos valles distintos con un contraste inherente, eliminando la necesidad de rediseñar estos materiales para tener esta propiedad.

Goh y su equipo también están tratando de agregar a la lista conocida de materiales con esta propiedad clave. Durante los últimos dos años, en colaboración con la Universidad Nacional de Singapur, han reunido un conjunto de herramientas para dimensionar materiales 2-D para su contraste de valle.

Materiales 2-D de gran superficie listos para el mercado

Al mismo tiempo, Los colegas de Goh están abordando uno de los principales obstáculos para la comercialización de esta tecnología. Encontrar métodos de producción confiables y escalables para electrónica a gran escala requiere técnicas que puedan formar materiales 2-D con espesor uniforme y propiedades eléctricas en áreas al menos tan grandes como una oblea de cuatro pulgadas:el tamaño de sustrato estándar utilizado en la industria electrónica.

Para hacer esto, Goh se volvió hacia su colega de IMRE, Dongzhi Chi, que está encontrando formas de fabricar materiales semiconductores 2-D de gran superficie utilizando un método conocido como deposición química de vapor. Esta técnica forma materiales al exponer un sustrato a alta temperatura a gases que transportan los átomos deseados.

Chi y su equipo ya han tenido un éxito importante en el control de la dispersión de la concentración de los vapores químicos de disulfuro de molibdeno durante este proceso. Al introducir una trampa de barrera de espuma de óxido de níquel delgada para reducir las concentraciones químicas en el vapor, han mejorado la uniformidad y la calidad del material de deposición. "La ventaja de este enfoque sobre otros es la facilidad, "dice Chi, "utiliza polvos químicos con baja toxicidad y mínima introducción de especies químicas más allá de los elementos químicos en el propio material depositado, molibdeno y azufre ".

Dispositivos de prueba de concepto

Goh dice que su equipo está buscando demostrar sus primeros dispositivos de prueba de concepto a principios de 2019. Dice que estos incluirán dispositivos que usan Valleytronics para hacer cosas simples, como encender o apagar un dispositivo.

Sin embargo, agrega que si los electrones de valle se colocan en estados de superposición, podrían producir un qubit, la unidad fundamental de la computación cuántica. De hecho, Goh ve las mayores ganancias futuras para Valleytronics en sus posibles aplicaciones a la "electrónica como la computación de borde de baja potencia y, finalmente, la computación cuántica robusta".

Los dispositivos más pequeños significan distancias más pequeñas para que la información viaje, por lo que Valleytronics y la computación cuántica ofrecen ventajas en las velocidades de procesamiento de datos. Esto ha sido notado por personas que intentan aprovechar el giro de los átomos para la computación cuántica. Sin embargo, Valleytronics puede tener una ventaja sobre la espintrónica ya que el espín cuántico está fuertemente vinculado a los campos magnéticos, que puede introducir problemas de estabilidad que no son tan problemáticos en Valleytronics.

Debido a esto, Goh cree que la fabricación de computadoras cuánticas que utilicen estados de valle será la clave para abrir todo el campo de materiales 2-D para la comercialización. "La computación cuántica nos ayudará a mostrar las ventajas de los materiales 2-D sobre la electrónica clásica. Si tiene éxito, las empresas podrían estar más dispuestas a invertir en la infraestructura necesaria para desarrollar materiales 2-D con un rendimiento aún mejor y convertirlos en tecnologías verdaderamente disruptivas ".