A pesquisa sobre o aproveitamento de materiais bidimensionais (2-D) para dispositivos do dia-a-dia teve alguns altos e baixos. Contudo, o campo emergente da Valleytronics está usando vales de energia para oferecer um potencial renovado.

De acordo com Johnson Goh, um cientista sênior do Instituto de Pesquisa e Engenharia de Materiais da A * STAR, 2-D e outros materiais muito finos podem em breve usar Valleytronics para transmitir informações. Goh afirma que uma combinação de métodos de produção de material 2-D cada vez mais acessíveis e a aplicação de técnicas como a Valleytronics poderia agir rapidamente em conjunto para reduzir os tamanhos dos dispositivos e as necessidades de consumo de energia.

A ideia básica é passar informações através do 2-D e de outros materiais condutores muito finos usando os 'vales' de energia (ou extremos de energia) em suas bandas de condução e valência (as bandas de energia em torno das quais os elétrons orbitam o núcleo de um átomo). Em formação, diz Goh, pode ser transmitido controlando a associação de um elétron com um vale - uma manipulação que pode ser alcançada usando campos elétricos, campos magnéticos e luz polarizada circularmente.

Por exemplo, em dissulfeto de molibdênio, que é um material 2-D, a presença de dois vales inequivalentes significa que as informações podem ser armazenadas de forma binária com base em qual vale um elétron está residindo:um vale pode representar um zero, enquanto o outro pode representar um. Essas informações podem então ser usadas para computação ou memória.

Mais rápido, Melhor, mais forte:semicondutores 2-D e valleytronics

Goh argumenta que uma combinação de valleytronics e 2-D ou materiais muito finos possibilitará uma série de funcionalidades em dispositivos nanoeletrônicos e nanofotônicos que não podem ser alcançados com a tecnologia de semicondutor à base de silício existente. Por exemplo, A Valleytronics permitiria que o transporte de elétrons em materiais 2-D fosse manipulado com energias mais baixas do que os dispositivos convencionais.

As informações são transmitidas na maioria dos dispositivos atuais usando um fluxo de elétrons carregados. Além de frequentemente exigir mais elétrons para se comunicar, este método sofre de uma 'aglomeração' de elétrons e seus empurrões resultam em espalhamento e alguma perda de energia do elétron como calor. Em Valleytronics, por outro lado, as perdas por espalhamento podem ser suprimidas porque os elétrons nos vales de energia estão um tanto protegidos de choques.

Os dados também podem ser armazenados de forma mais robusta em materiais Valleytronics do que em sistemas convencionais de armazenamento de dados, Goh diz. “O vale é propriedade de todo o material, e assim os estados do vale são destruídos apenas se o material for significativamente modificado ou deixar de existir, "ele explica." Então, em vez de codificar informações em cargas elétricas que podem ser perdidas por espalhamento, codificar informações em estados de vale deve ser mais duradouro devido ao acoplamento exclusivo do spin do elétron ao vale. "

Atualmente, Goh e outros pesquisadores da IMRE estão desenvolvendo uma série de novos e úteis semicondutores 2-D para essa tecnologia, ajustando sua composição para sintonizar lacunas de banda e, assim, controlar suas propriedades de condução.

Contudo, para criar um sistema de informação binário usando os estados de vale de um material 2-D, também é vital diferenciar a qual vale uma carga está associada usando 'contraste de vale' - que são spins opostos hospedados por vales com índices opostos. Dichalcogenetos de metais de transição, como dissulfeto de molibdênio, provaram ser úteis para a equipe, pois já têm dois vales distintos com contraste inerente, eliminando a necessidade de reengenharia desses materiais para ter essa propriedade.

Goh e sua equipe também estão tentando aumentar a lista conhecida de materiais com essa propriedade-chave. Nos últimos dois anos, em colaboração com a Universidade Nacional de Cingapura, eles reuniram um conjunto de ferramentas para dimensionar materiais 2-D para seu contraste vale.

Materiais 2D de grandes áreas prontos para o mercado

Ao mesmo tempo, Os colegas de Goh estão enfrentando um dos maiores obstáculos para a comercialização dessa tecnologia. Encontrar métodos de produção confiáveis ​​e escaláveis ​​para eletrônica em escala de massa requer técnicas que podem formar materiais 2-D com espessura uniforme e propriedades elétricas em áreas pelo menos tão grandes quanto um wafer de quatro polegadas:o tamanho de substrato padrão usado na indústria eletrônica.

Para fazer isso, Goh voltou-se para o colega do IMRE Dongzhi Chi, que está descobrindo maneiras de fabricar materiais semicondutores 2-D de grandes áreas usando um método conhecido como deposição química de vapor. Esta técnica forma materiais expondo um substrato de alta temperatura a gases que transportam os átomos desejados.

Chi e sua equipe já tiveram algum sucesso importante no controle da propagação da concentração dos vapores químicos do dissulfeto de molibdênio durante esse processo. Ao introduzir uma armadilha de barreira de espuma de óxido de níquel fina para reduzir as concentrações químicas no vapor, eles melhoraram a uniformidade e a qualidade do material de deposição. "A vantagem desta abordagem sobre outras é a facilidade, "diz Chi, "usa pós químicos com baixa toxicidade e introdução mínima de espécies químicas além dos elementos químicos no próprio material depositado, molibdênio e enxofre. "

Dispositivos de prova de conceito

Goh diz que sua equipe está procurando demonstrar seus primeiros dispositivos de prova de conceito no início de 2019. Ele diz que eles incluirão dispositivos que usam Valleytronics para fazer coisas simples, como ligar ou desligar um dispositivo.

Contudo, ele acrescenta que, se os elétrons do vale forem colocados em estados de superposição, eles podem produzir um qubit - a unidade fundamental para a computação quântica. Na verdade, Goh vê os maiores ganhos futuros para a Valleytronics em suas possíveis aplicações para "eletrônicos como computação de ponta de baixo consumo e, eventualmente, computação quântica robusta".

Dispositivos menores significam distâncias menores para a informação viajar e, portanto, a Valleytronics e a computação quântica oferecem vantagens nas velocidades de processamento de dados. Isso foi observado por pessoas que tentam controlar o spin dos átomos para a computação quântica. Contudo, Valleytronics pode ter uma vantagem sobre a spintrônica, já que o spin quântico está fortemente ligado a campos magnéticos, o que pode introduzir problemas de estabilidade que não são tão problemáticos na Valleytronics.

Por causa disso, Goh acredita que fazer computadores quânticos que usem estados de vale será a chave para abrir todo o campo de material 2-D para comercialização. “A computação quântica nos ajudará a mostrar as vantagens dos materiais 2-D sobre a eletrônica clássica. as empresas poderiam estar mais dispostas a investir na infraestrutura necessária para desenvolver materiais 2-D com desempenho ainda melhor e transformá-los em tecnologias verdadeiramente revolucionárias. "