Les physiciens de l'UT Dallas ont publié de nouvelles découvertes examinant les propriétés électriques des matériaux qui pourraient être exploités pour les transistors et l'électronique de nouvelle génération.

Dr Fan Zhang, professeur adjoint de physique, et l'étudiant senior en physique Armin Khamoshi ont récemment publié leurs recherches sur les dichalcogénures de métaux de transition, ou TMD, dans la revue Communication Nature . Zhang est un auteur co-correspondant, et Khamoshi est co-auteur principal de l'article, qui comprend également des scientifiques collaborateurs de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong.

Dans les années récentes, les scientifiques et les ingénieurs se sont intéressés aux TMD en partie parce qu'ils sont supérieurs à bien des égards au graphène, une épaisseur d'un atome, feuille bidimensionnelle d'atomes de carbone disposés en réseau. Depuis qu'il a été isolé pour la première fois en 2004, le graphène a été étudié pour son potentiel à remplacer les semi-conducteurs conventionnels dans les transistors, en les réduisant encore plus en taille. Le graphène est un conducteur exceptionnel, un matériau dans lequel les électrons se déplacent facilement, avec une grande mobilité.

"On pensait que le graphène pouvait être utilisé dans les transistors, mais dans les transistors, vous devez pouvoir allumer et éteindre le courant électrique, " dit Zhang. " Avec le graphène, cependant, le courant ne peut pas être facilement coupé."

Au-delà du graphène

Dans leur recherche d'alternatives, scientifiques et ingénieurs se sont tournés vers les TMD, qui peut également être transformé en mince, feuilles bidimensionnelles, ou monocouches, juste quelques molécules d'épaisseur.

"Les TMD ont quelque chose que le graphène n'a pas :un écart énergétique qui permet de contrôler le flux d'électrons, pour allumer et éteindre le courant, " a déclaré Khamoshi. " Cet écart rend les TMD idéaux pour une utilisation dans les transistors. Les TMD sont également de très bons absorbeurs de lumière polarisée circulairement, afin qu'ils puissent être utilisés dans les détecteurs. Pour ces raisons, ces matériaux sont devenus un sujet de recherche très populaire."

L'un des enjeux est d'optimiser et d'augmenter la mobilité électronique dans les matériaux TMD, un facteur clé si elles doivent être développées pour une utilisation dans les transistors, dit Khamoshi.

Dans leur plus récent projet, Zhang et Khamoshi ont fourni le travail théorique pour guider le groupe de Hong Kong sur la construction couche par couche d'un dispositif TMD et sur l'utilisation de champs magnétiques pour étudier la façon dont les électrons se déplacent à travers le dispositif. Chaque monocouche de TMD a une épaisseur de trois molécules, et les couches ont été prises en sandwich entre deux feuilles de molécules de nitrure de bore.

"Le comportement des électrons contrôle le comportement de ces matériaux, " a déclaré Zhang. "Nous voulons utiliser des électrons hautement mobiles, mais c'est très difficile. Nos collaborateurs à Hong Kong ont fait des progrès significatifs dans cette direction en concevant un moyen d'augmenter considérablement la mobilité des électrons."

L'équipe a découvert que le comportement des électrons dans les TMD dépend de l'utilisation d'un nombre pair ou impair de couches TMD.

"Ce comportement dépendant de la couche est une découverte très surprenante, " dit Zhang. " Peu importe le nombre de couches que vous avez, mais plutôt, s'il y a un nombre pair ou impair de couches."

Physique électronique

Parce que les matériaux TMD fonctionnent à l'échelle d'atomes et d'électrons individuels, les chercheurs ont incorporé la physique quantique dans leurs théories et observations. Contrairement à la physique classique, qui décrit le comportement d'objets à grande échelle que nous pouvons voir et toucher, la physique quantique régit le domaine des très petites particules, y compris les électrons.

A l'échelle des appareils électriques de tous les jours, les électrons circulant dans les fils se comportent comme un flux de particules. Dans le monde quantique, cependant, les électrons se comportent comme des ondes, et la conductance électrique transversale du matériau bidimensionnel en présence d'un champ magnétique n'est plus comme un courant - elle change par étapes discrètes, dit Zhang. Le phénomène est appelé conductance Hall quantique.

"La conductance Quantum Hall pourrait changer pas à pas, ou deux pas par deux pas, etc, " dit-il. " Nous avons constaté que si nous utilisions un nombre pair de couches TMD dans notre appareil, il y avait une conductance quantique en 12 étapes. Si nous lui appliquons un champ magnétique suffisamment puissant, cela changerait de six étapes à la fois."

L'utilisation d'un nombre impair de couches combiné à un faible champ magnétique a également permis d'obtenir une conductance Hall quantique en 6 étapes dans les TMD, mais sous des champs magnétiques plus forts, c'est devenu un phénomène en 3 étapes par 3 étapes.

"Le type de conductance Hall quantique que nous avons prédit et observé dans nos dispositifs TMD n'a jamais été trouvé dans aucun autre matériau, ", a déclaré Zhang. "Ces résultats ne déchiffrent pas seulement les propriétés intrinsèques des matériaux TMD, mais aussi démontrer que nous avons atteint une mobilité élevée des électrons dans les appareils. Cela nous donne l'espoir de pouvoir un jour utiliser des TMD pour les transistors."