La recherche sur l'exploitation de matériaux bidimensionnels (2D) pour les appareils de tous les jours a connu des hauts et des bas. Cependant, le domaine émergent de la valleytronics utilise des réservoirs d'énergie pour offrir un potentiel renouvelé.

Selon Johnson Goh, chercheur principal à l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux d'A*STAR, La 2-D et d'autres matériaux très minces pourraient bientôt utiliser la valleytronics pour transmettre des informations. Goh affirme qu'une combinaison de méthodes de production de matériaux 2D de plus en plus abordables et l'application de techniques telles que valleytronics pourraient rapidement agir ensemble pour réduire la taille des appareils et les besoins de consommation d'énergie.

L'idée de base est de transmettre des informations à travers des matériaux 2D et d'autres matériaux conducteurs très minces en utilisant les « vallées » d'énergie (ou extrema d'énergie) dans leurs bandes de conduction et de valence (les bandes d'énergie autour desquelles les électrons gravitent autour du noyau d'un atome). Informations, dit Goh, peut être transmis en contrôlant l'association d'un électron avec une vallée - une manipulation qui peut être réalisée à l'aide de champs électriques, champs magnétiques et lumière polarisée circulairement.

Par exemple, en bisulfure de molybdène, qui est un matériau 2-D, la présence de deux vallées inéquivalentes signifie que les informations peuvent être stockées de manière binaire en fonction de la vallée dans laquelle réside un électron :une vallée peut représenter un zéro, tandis que l'autre pourrait représenter un. Ces informations peuvent ensuite être utilisées pour le calcul ou la mémoire.

Plus rapide, meilleur, plus fort :semi-conducteurs 2-D et valleytronics

Goh soutient qu'une combinaison de valleytronics et de matériaux 2D ou très minces permettra une multitude de fonctionnalités dans les dispositifs nanoélectroniques et nanophotoniques qui ne peuvent pas être réalisées avec la technologie existante des semi-conducteurs à base de silicium. Par exemple, Valleytronics permettrait de manipuler le transport d'électrons dans des matériaux 2D à des énergies plus faibles que les dispositifs conventionnels.

Les informations sont transmises dans la plupart des appareils actuels à l'aide d'un flux d'électrons chargés. En plus de nécessiter souvent plus d'électrons pour communiquer, cette méthode souffre d'un « encombrement » d'électrons et leur bousculade entraîne une diffusion et une certaine perte d'énergie électronique sous forme de chaleur. Dans valleytronics, d'autre part, les pertes par diffusion peuvent être supprimées parce que les électrons dans les vallées d'énergie sont quelque peu protégés des bousculades.

Les données peuvent également être stockées de manière plus robuste dans les matériaux valleytronics que dans les systèmes de stockage de données conventionnels, Goh dit. « La vallée est une propriété de toute la matière, et ainsi les états de vallée ne sont détruits que si le matériau est modifié de manière significative ou cesse d'exister, " explique-t-il. " Ainsi, au lieu de coder des informations sur des charges électriques qui peuvent être perdues par diffusion, Le codage des informations sur les états de vallée devrait être plus durable en raison du couplage unique du spin électronique à la vallée. »

Actuellement, Goh et d'autres chercheurs de l'IMRE élaborent un certain nombre de semi-conducteurs 2D nouveaux et utiles pour cette technologie en ajustant leur composition pour régler les bandes interdites et ainsi contrôler leurs propriétés de conduction.

Cependant, créer un système d'information binaire utilisant les états de vallée d'un matériau en 2D, il est également essentiel de différencier à quelle vallée une charge est associée en utilisant le « contraste de vallée », qui sont des spins opposés hébergés par des vallées avec des indices opposés. dichalcogénures de métaux de transition, comme le bisulfure de molybdène, se sont avérés utiles à l'équipe car ceux-ci ont déjà deux vallées distinctes avec un contraste inhérent, éliminant le besoin de reconcevoir ces matériaux pour avoir cette propriété.

Goh et son équipe tentent également d'ajouter à la liste connue des matériaux avec cette propriété clé. Au cours des deux dernières années, en collaboration avec l'Université nationale de Singapour, ils ont mis en place une suite d'outils pour dimensionner les matériaux 2D pour leur contraste de vallée.

Matériaux 2-D de grande surface prêts pour le marché

À la fois, Les collègues de Goh s'attaquent à l'un des principaux obstacles à la commercialisation de cette technologie. Trouver des méthodes de production fiables et évolutives pour l'électronique à grande échelle nécessite des techniques capables de former des matériaux 2D avec une épaisseur et des propriétés électriques uniformes sur des zones au moins aussi grandes qu'une plaquette de quatre pouces :la taille de substrat standard utilisée dans l'industrie électronique.

Pour faire ça, Goh s'est tourné vers le collègue de l'IMRE, Dongzhi Chi, qui trouve des moyens de fabriquer des matériaux semi-conducteurs 2-D à grande surface en utilisant une méthode connue sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur. Cette technique forme des matériaux en exposant un substrat à haute température à des gaz portant les atomes souhaités.

Chi et son équipe ont déjà obtenu d'importants succès en contrôlant la dispersion de la concentration des vapeurs chimiques de bisulfure de molybdène au cours de ce processus. En introduisant un piège à barrière mince en mousse d'oxyde de nickel pour abaisser les concentrations chimiques dans la vapeur, ils ont amélioré l'uniformité et la qualité du matériau de dépôt. "L'avantage de cette approche par rapport aux autres est la facilité, " dit Chi, "il utilise des poudres chimiques à faible toxicité et une introduction minimale d'espèces chimiques au-delà des éléments chimiques dans le matériau déposé lui-même, molybdène et soufre."

Dispositifs de preuve de concept

Goh dit que son équipe cherche à démontrer leurs premiers appareils de preuve de concept d'ici début 2019. Il dit que ceux-ci incluront des appareils qui utilisent valleytronics pour faire des choses simples, comme allumer ou éteindre un appareil.

Cependant, il ajoute que si les électrons de la vallée sont placés dans des états de superposition, ils pourraient produire un qubit, l'unité fondamentale de l'informatique quantique. En réalité, Goh voit les gains futurs les plus importants pour valleytronics dans ses applications possibles à "l'électronique telle que l'informatique de pointe à faible puissance et finalement l'informatique quantique robuste".

Des appareils plus petits signifient des distances plus petites pour les informations à parcourir. Ainsi, la valleytronics et l'informatique quantique offrent tous deux des avantages en termes de vitesse de traitement des données. Cela a été noté par des personnes essayant d'exploiter le spin des atomes pour l'informatique quantique. Cependant, la valleytronics peut avoir un avantage sur la spintronique car le spin quantique est fortement lié aux champs magnétiques, ce qui peut introduire des problèmes de stabilité qui ne sont pas aussi problématiques dans valleytronics.

À cause de ce, Goh pense que la fabrication d'ordinateurs quantiques utilisant des états de vallée sera la clé pour ouvrir l'ensemble du domaine des matériaux 2D à la commercialisation. « L'informatique quantique nous aidera à présenter les avantages des matériaux 2D par rapport à l'électronique classique. En cas de succès, les entreprises pourraient être plus disposées à investir dans l'infrastructure requise pour développer des matériaux 2D encore plus performants et les transformer en technologies véritablement perturbatrices. »