Os físicos da UT Dallas publicaram novas descobertas examinando as propriedades elétricas de materiais que poderiam ser aproveitados para transistores e eletrônicos de próxima geração.

Dr. Fan Zhang, professor assistente de física, e o estudante sênior de física Armin Khamoshi publicou recentemente sua pesquisa sobre dichalcogenetos de metais de transição, ou TMDs, no jornal Nature Communications . Zhang é um autor co-correspondente, e Khamoshi é um co-autor principal do artigo, que também inclui cientistas colaboradores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong.

Nos últimos anos, cientistas e engenheiros se interessaram por TMDs em parte porque eles são superiores em muitas maneiras ao grafeno, com um átomo de espessura, folha bidimensional de átomos de carbono dispostos em uma rede. Desde que foi isolado pela primeira vez em 2004, o grafeno foi investigado por seu potencial para substituir semicondutores convencionais em transistores, encolhendo-os ainda mais em tamanho. O grafeno é um condutor excepcional, um material em que os elétrons se movem facilmente, com alta mobilidade.

"Pensou-se que o grafeno poderia ser usado em transistores, mas em transistores, você precisa ser capaz de ligar e desligar a corrente elétrica, "Zhang disse." Com grafeno, Contudo, a corrente não pode ser facilmente desligada. "

Além do grafeno

Em sua busca por alternativas, cientistas e engenheiros se voltaram para TMDs, que também pode ser feito em fino, folhas bidimensionais, ou monocamadas, apenas algumas moléculas de espessura.

"Os TMDs têm algo que o grafeno não tem - uma lacuna de energia que permite que o fluxo de elétrons seja controlado, para que a corrente seja ligada e desligada, "Khamoshi disse." Essa lacuna torna os TMDs ideais para uso em transistores. Os TMDs também são muito bons absorvedores de luz polarizada circularmente, para que eles pudessem ser usados ​​em detectores. Por estas razões, esses materiais se tornaram um tópico de pesquisa muito popular. "

Um dos desafios é otimizar e aumentar a mobilidade de elétrons em materiais TMD, um fator chave se eles forem desenvolvidos para uso em transistores, Khamoshi disse.

Em seu projeto mais recente, Zhang e Khamoshi forneceram o trabalho teórico para orientar o grupo de Hong Kong na construção camada por camada de um dispositivo TMD e no uso de campos magnéticos para estudar como os elétrons viajam através do dispositivo. Cada monocamada de TMD tem três moléculas de espessura, e as camadas foram colocadas entre duas folhas de moléculas de nitreto de boro.

“O comportamento dos elétrons controla o comportamento desses materiais, "Zhang disse." Queremos fazer uso de elétrons altamente móveis, mas é muito desafiador. Nossos colaboradores em Hong Kong fizeram um progresso significativo nessa direção ao desenvolver uma maneira de aumentar significativamente a mobilidade dos elétrons. "

A equipe descobriu que como os elétrons se comportam nos TMDs depende se um número par ou ímpar de camadas TMD foi usado.

"Este comportamento dependente da camada é uma descoberta muito surpreendente, "Zhang disse." Não importa quantas camadas você tenha, mas sim, se há um número par ou ímpar de camadas. "

Física Eletrônica

Como os materiais TMD operam na escala de átomos e elétrons individuais, os pesquisadores incorporaram a física quântica em suas teorias e observações. Ao contrário da física clássica, que descreve o comportamento de objetos de grande escala que podemos ver e tocar, a física quântica governa o reino das partículas muito pequenas, incluindo elétrons.

Na escala de tamanho dos dispositivos elétricos do dia-a-dia, os elétrons que fluem através dos fios se comportam como um fluxo de partículas. No mundo quântico, Contudo, elétrons se comportam como ondas, e a condutância transversal elétrica do material bidimensional na presença de um campo magnético não é mais como uma corrente - ela muda em etapas discretas, Zhang disse. O fenômeno é chamado de condutância Hall quântica.

"A condutância Quantum Hall pode mudar passo a passo, ou duas etapas por duas etapas, e assim por diante, "disse ele." Descobrimos que se usássemos um número par de camadas TMD em nosso dispositivo, havia uma condutância quântica de 12 etapas. Se aplicássemos um campo magnético forte o suficiente a ele, mudaria em seis etapas de cada vez. "

O uso de um número ímpar de camadas combinado com um baixo campo magnético também resultou em uma condutância Hall quântica de 6 etapas nos TMDs, mas sob campos magnéticos mais fortes, tornou-se um fenômeno de 3 etapas em 3 etapas.

"O tipo de condutância Hall quântica que previmos e observamos em nossos dispositivos TMD nunca foi encontrado em nenhum outro material, "Zhang disse." Esses resultados não apenas decifram as propriedades intrínsecas dos materiais TMD, mas também demonstrar que alcançamos alta mobilidade de elétrons nos dispositivos. Isso nos dá esperança de que um dia possamos usar TMDs para transistores. "