Mapa de desomogeneidades de carga, conhecido como "poças de carga". Crédito:ARC Centro de Excelência em Tecnologias Eletrônicas de Baixa Energia do Futuro
Os pesquisadores descobriram que o bismuteto trissódico de material topológico (Na 3 Bi) pode ser fabricado para ser tão 'eletronicamente uniforme' quanto a alternativa à base de grafeno de mais alta qualidade, enquanto mantém a alta mobilidade de elétrons do grafeno.
N / D 3 Bi é um Semimetal Topológico de Dirac (TDS), considerado um equivalente 3D do grafeno por mostrar a mesma mobilidade extraordinariamente alta de elétrons.
No grafeno, como em um TDS, elétrons se movem em velocidade constante, independente de sua energia.
Esta alta mobilidade de elétrons é altamente desejável em materiais investigados para eletrônica de comutação rápida. O fluxo de elétrons no grafeno pode ser, teoricamente, 100 vezes mais rápido do que no silício.
No entanto, na prática, existem limitações para a notável mobilidade de elétrons do grafeno, impulsionado pela natureza bidimensional do material.
Embora o grafeno em si possa ser extremamente puro, é muito frágil para usar como um material autônomo, e deve ser encadernado com outro material. E porque o grafeno é atomicamente fino, impurezas naquele substrato são capazes de causar desordem eletrônica dentro do grafeno.
Essas inomogeneidades microscópicas, conhecido como 'poças de carga', limitar a mobilidade dos portadores de carga.
Na prática, isso significa que os dispositivos baseados em grafeno devem ser cuidadosamente construídos com uma folha de grafeno colocada sobre um material de substrato que minimize tal desordem eletrônica. O nitreto de boro hexagonal (h-BN) é comumente usado para este propósito.
Mas agora, pesquisadores do centro de pesquisa FLEET da Austrália descobriram que o bismutido trissódico (Na 3 Bi) cultivados em seus laboratórios na Monash University são tão eletronicamente lisos quanto o grafeno / h-BN de mais alta qualidade.
É uma conquista significativa, diz o pesquisador principal, Dr. Mark Edmonds. "Esta é a primeira vez que um material 3D Dirac foi medido dessa forma, "Dr. Edmonds diz." E estamos entusiasmados por ter encontrado um alto grau de suavidade eletrônica neste material. "
A descoberta será crítica para o avanço do estudo deste novo material topológico, que poderia ter amplas aplicações em eletrônica. "É impossível saber quantos campos de pesquisa isso poderia abrir, "diz o Dr. Edmonds." A mesma descoberta no grafeno / h-BN desencadeou estudos suplementares consideráveis em 2011. "
Com a suavidade eletrônica do Na3Bi agora demonstrada, uma série de outras possibilidades de pesquisa se abre. Tem havido muitos estudos sobre o fluxo relativístico (alta mobilidade) de elétrons no grafeno desde que foi descoberto em 2004. Com este último estudo, estudos semelhantes sobre Na3Bi podem ser esperados.
N / D 3 Bi oferece uma série de vantagens interessantes sobre o grafeno.
Além de evitar os métodos de construção difíceis envolvidos em dispositivos de grafeno / h-BN de duas camadas, N / D 3 Bi pode ser cultivado em escala milimétrica ou maior. Atualmente, O grafeno-h-BN é limitado a apenas alguns micrômetros.
Estrutura do bismuteto trissódico mostrada com átomos de sódio brancos e átomos de bismuto verde-azulado. Crédito:ARC Centro de Excelência em Tecnologias Eletrônicas de Baixa Energia do Futuro
Outra vantagem significativa é o potencial de uso de Na 3 Bi como o canal condutor em uma nova geração de transistores - construída sobre a ciência dos isoladores topológicos. O estudo foi publicado em Avanços da Ciência em dezembro de 2017.
Próximas etapas e transistores topológicos
"A descoberta de eletronicamente suave, filmes finos de TDS são um passo importante para transistores topológicos comutáveis, "diz o Diretor da FLEET, Prof Michael Fuhrer.
"O grafeno é um maestro fantástico, mas não pode ser 'desligado', ou controlado, "diz o Prof Fuhrer." Materiais topológicos, como Na 3 Bi, pode ser trocado de isolador convencional para isolador topológico pela aplicação de tensão ou campo magnético. "
Isoladores topológicos são novos materiais que se comportam como isolantes elétricos em seu interior, mas pode levar uma corrente ao longo de suas bordas. Ao contrário de um caminho elétrico convencional, tais caminhos de borda topológicos podem transportar corrente elétrica com dissipação de energia quase zero, o que significa que os transistores topológicos podem alternar sem queimar energia.
Os materiais topológicos foram reconhecidos no Prêmio Nobel de Física do ano passado.
Transistores topológicos iriam 'mudar', assim como um transistor tradicional. A aplicação de um potencial de porta mudaria os caminhos de borda em um Na 3 Bi channel entre ser um isolante topológico ('ligado') e um isolante convencional ('desligado').
O quadro geral:uso de energia na computação
O desafio abrangente é a quantidade crescente de energia usada em computação e tecnologia da informação (TI).
Cada vez que um transistor muda, uma pequena quantidade de energia é queimada, e com trilhões de transistores trocando bilhões de vezes por segundo, essa energia se soma. Já, a energia queimada em computação é responsável por 5 por cento do uso global de eletricidade, e está dobrando a cada década.
Por muitos anos, a demanda de energia de um número exponencialmente crescente de cálculos foi mantida sob controle por cada vez mais eficiente, e chips de computador cada vez mais compactos - um efeito relacionado à Lei de Moore. Mas, à medida que os limites da física fundamental são atingidos, A Lei de Moore está acabando, e existem eficiências futuras limitadas a serem encontradas.
"Para que a computação continue crescendo, para acompanhar as novas demandas, precisamos de eletrônicos mais eficientes, "diz o professor Michael Fuhrer." Precisamos de um novo tipo de transistor que queime menos energia quando comuta. "
"Esta descoberta pode ser um passo na direção de transistores topológicos que transformam o mundo da computação."
O estudo é publicado em Avanços da Ciência .
