Uso de ángulos para mejorar el futuro de la electrónica

La nanotecnología es un término que se aplica a una variedad de campos, desde la ropa y las pinturas para automóviles hasta los equipos deportivos y la electrónica. Al final, todo se refiere a un tamaño, el nanómetro (nm) y la capacidad de la humanidad para comprender, controlar y manipular los fenómenos únicos que ocurren en esta dimensión. En perspectiva, una hoja de papel tiene un grosor de aproximadamente 100.000 nm. (haga clic para ver una cronología interactiva de nanotecnología de IBM)

En IBM Research y, en algunos proyectos, con el apoyo de fondos del gobierno, los científicos están explorando la nanoescala para mejorar la densidad de potencia y la eficiencia energética de los dispositivos electrónicos, incluidos todo, desde teléfonos móviles hasta sensores de IoT y centros de datos gigantes en la nube.

Figura 1 :El dispositivo en forma de llave de tamaño nanométrico se puede girar como las manos en una cerradura de 0 a 360 grados, lo que podría usarse como un interruptor para encender y apagar la corriente de un transistor de efecto de campo de túnel.

Uno de esos proyectos está dirigido por el científico Elad Koren del laboratorio de IBM en Zurich. En el proyecto, que está financiado por el programa Ambizione dentro de la Swiss National Science Foundation (SNSF), el equipo se centra en comprender la física básica del apilamiento de materiales 2D, incluido el grafeno actualmente popular.

Si bien hay mucho entusiasmo en torno al grafeno, se considera que es uno de los materiales más prometedores para los futuros dispositivos electrónicos y cuánticos semiconductores debido a sus propiedades electrónicas superiores. También exhibe ricas propiedades físicas dependiendo de cómo se apile sobre otro cristal 2D, y aquí es donde se vuelve realmente interesante y un poco complicado.

Cuando las dos capas apiladas están hechas del mismo material, como el grafeno, un conjunto especial de superredes 2D periódicas emergerá en ángulos específicos. Tal desajuste también puede inducir una banda prohibida en los sistemas de grafeno bicapa, lo que produce uno de los primeros pasos hacia la construcción de dispositivos de tipo transistor para dispositivos electrónicos de próxima generación que son más potentes, pero energéticamente eficientes.

Koren y sus colegas publicaron sus resultados iniciales en la edición de septiembre de 2016 de la revista de revisión por pares Nature Nanotechnology . . En el artículo, el equipo demostró cómo al usar la punta afilada de un microscopio de fuerza atómica pueden controlar con precisión lo que parece parecer una llave de casa común (Fig. 1).

El dispositivo en forma de llave de tamaño nanométrico se puede girar como las manos en una cerradura de 0 a 360 grados, lo que podría usarse como un interruptor para encender y apagar la corriente de un transistor de efecto de campo de túnel (TFET), un paso importante en reducir la fuga de energía en los dispositivos electrónicos.

“Hemos logrado una precisión sin precedentes en el control de la configuración rotacional con una resolución angular, mejor que 0,1 grados. Esto nos permite explorar la naturaleza fundamental de la pila y realizar todo su potencial ”, dijo Koren.

Corriente medida fluye a través de la nanoestructura de grafito retorcido a un potencial de polarización de V =50 mV mientras gira continuamente el brazo de palanca. Recuadro:representación del momento-espacio del acoplamiento de grafeno bicapa en ángulos de torsión proporcionales θ =21,8 ° y 38,2 °.

La capacidad de controlar la configuración de apilamiento con alta precisión angular permite controlar y diseñar muchas propiedades físicas y realizar nuevos materiales novedosos en varios campos de la ciencia y la tecnología, tales como:electrónica, óptica, termoeléctrica y electromecánica.

El dispositivo también permite un alto flujo magnético dentro de una celda de cristal único que produce la famosa mariposa de Hofstadter, el comportamiento teorizado de los electrones bajo un fuerte campo magnético y un potencial periódico.

Las leyes de la fricción no escapan al régimen nano e incluso a esta pequeña escala la fricción se convierte en un desafío para el dispositivo en forma de llave y, como sabemos, la fricción causa calor, desgaste y disipa la energía, una propiedad desafortunada a esta escala.

Increíblemente, el desajuste rotacional en los sistemas de capas 2D suprime fuertemente la fricción y la disipación de energía, un efecto que se conoce como superlubricidad.

“Prácticamente no hay fricción. Se basa simplemente en encontrar el ángulo correcto ", agrega Koren.

Koren espera que, al compartir su investigación con otros en el campo, genere algunos diseños de dispositivos y materiales novedosos.