Vue en coupe transversale de la pile de matériaux bidimensionnels. L'électrolyte monocouche au milieu permet aux ions (sphères roses) d'être basculés entre deux emplacements. L'emplacement des ions définit l'état de la mémoire. Crédit :Groupe Fullerton
Depuis soixante ans, l'industrie électronique et le consommateur moyen ont bénéficié de la miniaturisation continue, augmentation de la capacité de stockage et diminution de la consommation d'énergie des appareils électroniques. Cependant, cette ère de mise à l'échelle qui a profité à l'humanité touche rapidement à sa fin. Pour continuer à réduire la taille et la consommation d'énergie de l'électronique, de nouveaux matériaux et de nouvelles approches d'ingénierie sont nécessaires.
Susan Fullerton, professeur adjoint de génie chimique et pétrolier à la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh, s'attaque à ce défi en développant une électronique de nouvelle génération basée sur tous les matériaux bidimensionnels. Ces matériaux "tout en 2D" sont similaires à une feuille de papier, si le papier n'avait qu'une seule molécule d'épaisseur. Ses recherches sur ces matériaux ultra-fins ont été récompensées par la National Science Foundation avec un montant de 540 $, 000 prix CARRIÈRE, qui soutient les professeurs en début de carrière qui ont le potentiel de servir de modèles académiques dans la recherche et l'éducation et de mener des avancées dans la mission de leur département ou organisation.
"L'avènement de nouveaux paradigmes informatiques repousse les limites de ce que les dispositifs semi-conducteurs traditionnels peuvent fournir, " dit le Dr Fullerton. " Par exemple, l'apprentissage automatique nécessitera des vitesses de réponse de la nanoseconde, fonctionnement sous-volt, 1, 000 états de résistance distincts, et d'autres aspects qu'aucune technologie de dispositif existante ne peut fournir.
« Nous savons depuis longtemps que les ions, comme ceux des batteries lithium-ion, sont très efficaces pour contrôler le mouvement de la charge dans ces semi-conducteurs ultra-minces, " a-t-elle noté. " Dans ce projet, nous réinventons le rôle des ions dans l'électronique haute performance. En superposant des couches successives de la taille d'une molécule, nous visons à augmenter la capacité de stockage, diminuer la consommation d'énergie, et accélérer considérablement la vitesse de traitement ."1
Pour construire cet appareil entièrement en 2D, Fullerton et son groupe ont inventé un nouveau type de matériau contenant des ions, ou électrolyte, qui n'a qu'une seule molécule d'épaisseur. Cet "électrolyte monocouche" introduira à terme de nouvelles fonctions qui pourront être utilisées par la communauté des matériaux électroniques pour explorer les propriétés fondamentales de nouveaux matériaux semi-conducteurs et pour développer une électronique avec des caractéristiques de dispositifs complètement nouvelles.
Schéma du dispositif de mémoire nanoionique à développer dans ce prix CAREER. Des feuilles moléculairement minces sont empilées les unes sur les autres pour créer une mémoire ultra-mince basée sur des ions interagissant avec des matériaux bidimensionnels. Crédit :Groupe Fullerton
Selon le Dr Fullerton, il existe plusieurs espaces d'application importants où les matériaux et les approches développés dans cette recherche CAREER pourraient avoir un impact :stockage d'informations, l'informatique inspirée du cerveau, et sécurité, en particulier.
En plus de développer les électrolytes monocouches, le prix NSF soutiendra un doctorat. étudiant et chercheur postdoctoral, ainsi qu'un programme de sensibilisation pour inspirer la curiosité et l'engagement des élèves de la maternelle à la 12e année et sous-représentés dans les matériaux pour l'électronique de nouvelle génération. Spécifiquement, Le Dr Fullerton a développé une activité où les étudiants peuvent regarder les électrolytes polymères utilisés dans cette étude cristalliser en temps réel à l'aide d'un appareil photo peu coûteux relié à un téléphone intelligent ou à un iPad. Le prix CARRIÈRE permettra au Dr Fullerton de fournir ce microscope aux salles de classe afin que les enseignants puissent continuer à explorer avec leurs élèves.
« Quand les étudiants ont ce microscope portable entre leurs mains, ils deviennent vraiment créatifs, " dit-elle. " Après avoir regardé ce qui arrive au polymère, ils partent en exploration. Ils regardent la peau de leur bras, le chewing-gum de leur bouche, ou les détails du tissu sur leurs vêtements. C'est incroyable de voir cet outil relativement peu coûteux susciter la curiosité pour les matériaux qui les entourent, et c'est l'objectif principal."
Le Dr Fullerton a noté que ses recherches adoptent une approche vraiment nouvelle de l'utilisation des ions, ce qui a été traditionnellement évité par la communauté des semi-conducteurs.
"Les ions sont souvent ignorés car si vous ne pouvez pas contrôler leur emplacement, ils peuvent ruiner un appareil. Ainsi, l'idée d'utiliser les ions non seulement comme un outil pour explorer les propriétés fondamentales, mais en tant que composant intégral de l'appareil est extrêmement excitant et risqué, " expliqua le Dr Fullerton. " Si adopté, Les ions couplés à des matériaux 2D pourraient représenter un changement de paradigme dans le calcul haute performance, car nous avons besoin de tout nouveaux matériaux dotés d'une nouvelle physique et de propriétés passionnantes qui ne sont plus limitées par la taille. »
