Los materiales bidimensionales (2-D), tan delgados como una sola capa de átomos, han intrigado a los científicos con su flexibilidad. elasticidad, y propiedades electrónicas únicas, como se descubrió por primera vez en materiales como el grafeno en 2004. Algunos de estos materiales pueden ser especialmente susceptibles a cambios en las propiedades de sus materiales a medida que se estiran y tiran. Bajo tensión aplicada, se ha predicho que sufrirán transiciones de fase tan dispares como superconductores en un momento a no conductores en el siguiente, u ópticamente opaco en un momento a transparente en el siguiente.

Ahora, Los investigadores de la Universidad de Rochester han combinado materiales 2-D con materiales de óxido de una manera nueva, utilizando una plataforma de dispositivo a escala de transistor, para explorar completamente las capacidades de estos materiales bidimensionales intercambiables para transformar la electrónica, óptica, informática y muchas otras tecnologías.

"Estamos abriendo una nueva dirección de estudio, "dice Stephen Wu, profesor asistente de ingeniería y física eléctrica e informática. "Hay una gran cantidad de materiales 2-D con diferentes propiedades, y si los estiras, harán todo tipo de cosas ".

La plataforma desarrollada en el laboratorio de Wu, configurados de manera muy similar a los transistores tradicionales, permite depositar una pequeña escama de un material 2-D sobre un material ferroeléctrico. Voltaje aplicado al ferroeléctrico, que actúa como el tercer terminal de un transistor, o compuerta -frena el material 2-D por el efecto piezoeléctrico, haciendo que se estire. Ese, Sucesivamente, desencadena un cambio de fase que puede cambiar completamente la forma en que se comporta el material. Cuando se apaga el voltaje, el material retiene su fase hasta que se aplica un voltaje de polaridad opuesta, haciendo que el material vuelva a su fase original.

"El objetivo final de la straintronics bidimensional es tomar todas las cosas que antes no podías controlar, como la topológica, superconductor, magnético, y propiedades ópticas de estos materiales, y ahora poder controlarlos, simplemente estirando el material en un chip, "Dice Wu.

"Si hace esto con materiales topológicos, podría afectar a las computadoras cuánticas, o si lo hace con materiales superconductores, puede afectar a la electrónica superconductora ".

En un papel en Nanotecnología de la naturaleza , Wu y sus estudiantes describen el uso de una película delgada de ditelurida de molibdeno bidimensional (MoTe2) en la plataforma del dispositivo. Cuando estirado y sin estirar, el MoTe2 cambia de un material semiconductor de baja conductividad a un material semimetálico altamente conductor y viceversa.

"Funciona como un transistor de efecto de campo. Solo tienes que poner voltaje en ese tercer terminal, y el MoTe2 se estirará un poco en una dirección y se convertirá en algo conductor. Luego lo estiras hacia atrás en otra dirección, y de repente tienes algo que tiene baja conductividad, "Dice Wu.

El proceso funciona a temperatura ambiente, él añade, y, notablemente, "solo requiere una pequeña cantidad de tensión; estamos estirando el MoTe2 en solo un 0,4 por ciento para ver estos cambios".

La famosa ley de Moore predice que el número de transistores en un circuito integrado denso se duplica aproximadamente cada dos años.

Sin embargo, a medida que la tecnología se acerca a los límites en los que los transistores tradicionales se pueden reducir en tamaño, a medida que llegamos al final de la ley de Moore, la tecnología desarrollada en el laboratorio de Wu podría tener implicaciones de gran alcance para superar estas limitaciones como la búsqueda de una tecnología cada vez más poderosa, continúa la computación más rápida.

La plataforma de Wu tiene el potencial de realizar las mismas funciones que un transistor con mucho menos consumo de energía, ya que no se necesita energía para retener el estado de conductividad. Es más, minimiza la fuga de corriente eléctrica debido a la pendiente pronunciada en la que el dispositivo cambia la conductividad con el voltaje de puerta aplicado. Ambos problemas, el alto consumo de energía y la fuga de corriente eléctrica, han limitado el rendimiento de los transistores tradicionales a nanoescala.

"Esta es la primera demostración, "Agrega Wu." Ahora depende de los investigadores averiguar hasta dónde llega ".

Una ventaja de la plataforma de Wu es que está configurada como un transistor tradicional, facilitando la eventual adaptación a la electrónica actual. Sin embargo, se necesita más trabajo antes de que la plataforma llegue a esa etapa. Actualmente, el dispositivo puede funcionar solo de 70 a 100 veces en el laboratorio antes de que falle. Mientras que la resistencia de otros recuerdos no volátiles, como flash, son mucho más altos y también operan mucho más lento que el potencial final de los dispositivos basados ​​en tensión que se están desarrollando en el laboratorio de Wu.

"¿Creo que es un desafío que se puede superar? Absolutamente, "dice Wu, que trabajará en el problema con Hesam Askari, profesor asistente de ingeniería mecánica en Rochester, también coautor del artículo. "Es un problema de ingeniería de materiales que podemos resolver a medida que avanzamos en nuestra comprensión de cómo funciona este concepto".

También explorarán cuánta tensión se puede aplicar a varios materiales bidimensionales sin que se rompan. Determinar el límite final del concepto ayudará a guiar a los investigadores a otros materiales de cambio de fase a medida que avanza la tecnología.

Wu, quien completó su Ph.D. en física en la Universidad de California, Berkeley, fue un becario postdoctoral en la División de Ciencia de Materiales en el Laboratorio Nacional Argonne antes de unirse a la Universidad de Rochester como profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y el Departamento de Física en 2017.

Comenzó con un solo estudiante de pregrado en su laboratorio:Arfan Sewaket '19, que pasaba el verano como becario de investigación de Xerox. Ayudó a Wu a montar un laboratorio temporal, luego fue el primero en probar el concepto de dispositivo y el primero en demostrar su viabilidad.

Desde entonces, cuatro estudiantes de posgrado en el laboratorio de Wu, el autor principal Wenhui Hou, Ahmad Azizimanesh, Tara Pen? A, y Carla Watson "han trabajado mucho" para documentar las propiedades del dispositivo y perfeccionarlo, creando alrededor de 200 versiones diferentes hasta este punto, Dice Wu. Todos figuran con Sewaket como coautores, junto con Askari y Ming Liu de la Universidad Xi'an Jiaotong en China.