Les matériaux bidimensionnels (2D) - aussi minces qu'une seule couche d'atomes - ont intrigué les scientifiques par leur flexibilité, élasticité, et des propriétés électroniques uniques, comme découvert pour la première fois dans des matériaux tels que le graphène en 2004. Certains de ces matériaux peuvent être particulièrement sensibles aux changements de leurs propriétés matérielles lorsqu'ils sont étirés et tirés. Sous contrainte appliquée, ils ont été prédits pour subir des transitions de phase aussi disparates que supraconductrices à un moment à non conductrices le suivant, ou optiquement opaque à un moment à transparent à l'autre.

Maintenant, Des chercheurs de l'Université de Rochester ont combiné des matériaux 2D avec des matériaux d'oxyde d'une nouvelle manière, en utilisant une plate-forme de dispositif à l'échelle du transistor, explorer pleinement les capacités de ces matériaux 2D évolutifs à transformer l'électronique, optique, informatique et une foule d'autres technologies.

"Nous ouvrons une nouvelle direction d'étude, " dit Stephen Wu, professeur assistant en génie électrique, informatique et physique. "Il existe un grand nombre de matériaux 2D avec des propriétés différentes, et si vous les étirez, ils feront toutes sortes de choses."

La plate-forme développée dans le laboratoire de Wu, configuré un peu comme les transistors traditionnels, permet à un petit éclat d'un matériau 2-D d'être déposé sur un matériau ferroélectrique. Tension appliquée au ferroélectrique, qui agit comme la troisième borne d'un transistor, ou grille - contraint le matériau 2-D par effet piézoélectrique, l'amenant à s'étirer. Cette, à son tour, déclenche un changement de phase qui peut complètement changer le comportement du matériau. Lorsque la tension est coupée, le matériau conserve sa phase jusqu'à ce qu'une tension de polarité opposée soit appliquée, provoquant le retour du matériau à sa phase d'origine.

"Le but ultime de l'électronique de contrainte bidimensionnelle est de prendre toutes les choses que vous ne pouviez pas contrôler auparavant, comme le topologique, supraconducteur, magnétique, et les propriétés optiques de ces matériaux, et maintenant pouvoir les contrôler, juste en étirant le matériau sur une puce, " dit Wu.

"Si vous faites cela avec des matériaux topologiques, vous pourriez avoir un impact sur les ordinateurs quantiques, ou si vous le faites avec des matériaux supraconducteurs, vous pouvez avoir un impact sur l'électronique supraconductrice."

Dans un journal en Nature Nanotechnologie , Wu et ses étudiants décrivent l'utilisation d'un film mince de ditellurure de molybdène bidimensionnel (MoTe2) dans la plate-forme de l'appareil. Lorsqu'il est étiré et non étiré, le MoTe2 passe d'un matériau semi-conducteur à faible conductivité à un matériau semi-métallique hautement conducteur et inversement.

"Il fonctionne comme un transistor à effet de champ. Il suffit de mettre une tension sur cette troisième borne, et le MoTe2 s'étirera un peu dans une direction et deviendra quelque chose de conducteur. Ensuite, vous l'étirez dans une autre direction, et tout d'un coup vous avez quelque chose qui a une faible conductivité, " dit Wu.

Le procédé fonctionne à température ambiante, il ajoute, et, remarquablement, « ne nécessite qu'une petite quantité de tension – nous étendons le MoTe2 de seulement 0,4 % pour voir ces changements. »

La loi de Moore prédit que le nombre de transistors dans un circuit intégré dense double environ tous les deux ans.

Cependant, alors que la technologie approche des limites auxquelles les transistors traditionnels peuvent être réduits en taille - alors que nous atteignons la fin de la loi de Moore - la technologie développée dans le laboratoire de Wu pourrait avoir des implications de grande envergure pour dépasser ces limites en tant que quête de toujours plus puissant, l'informatique plus rapide continue.

La plate-forme de Wu a le potentiel d'effectuer les mêmes fonctions qu'un transistor avec une consommation d'énergie bien inférieure, car l'énergie n'est pas nécessaire pour conserver l'état de conductivité. De plus, il minimise les fuites de courant électrique en raison de la forte pente à laquelle le dispositif change de conductivité avec la tension de grille appliquée. Ces deux problèmes (consommation d'énergie élevée et fuite de courant électrique) ont limité les performances des transistors traditionnels à l'échelle nanométrique.

"C'est la première manifestation, " ajoute Wu. "Maintenant, c'est aux chercheurs de déterminer jusqu'où cela va."

Un avantage de la plate-forme de Wu est qu'elle est configurée un peu comme un transistor traditionnel, facilitant à terme l'adaptation à l'électronique actuelle. Cependant, davantage de travail est nécessaire avant que la plate-forme n'atteigne ce stade. Actuellement, l'appareil ne peut fonctionner que 70 à 100 fois en laboratoire avant la défaillance de l'appareil. Alors que l'endurance d'autres mémoires non volatiles, comme flash, sont beaucoup plus élevés, ils fonctionnent également beaucoup plus lentement que le potentiel ultime des dispositifs basés sur les contraintes développés dans le laboratoire de Wu.

« Est-ce que je pense que c'est un défi qui peut être surmonté ? Absolument, " dit Wu, qui travaillera sur le problème avec Hesam Askari, professeur assistant de génie mécanique à Rochester, également co-auteur de l'article. "C'est un problème d'ingénierie des matériaux que nous pouvons résoudre à mesure que nous progressons dans notre compréhension du fonctionnement de ce concept."

Ils exploreront également la quantité de contrainte pouvant être appliquée à divers matériaux bidimensionnels sans les casser. Déterminer la limite ultime du concept aidera à guider les chercheurs vers d'autres matériaux à changement de phase à mesure que la technologie progresse

Wu, qui a terminé son doctorat. en physique à l'Université de Californie, Berkeley, était chercheur postdoctoral à la Division des sciences des matériaux du Laboratoire national d'Argonne avant de rejoindre l'Université de Rochester en tant que professeur adjoint au Département de génie électrique et informatique et au Département de physique en 2017.

Il a commencé avec un seul étudiant de premier cycle dans son laboratoire, Arfan Sewaket '19, qui passait l'été en tant que chercheur Xerox. Elle a aidé Wu à mettre en place un laboratoire temporaire, puis fut le premier à tester le concept de l'appareil et le premier à démontrer sa faisabilité.

Depuis, quatre étudiants diplômés du laboratoire de Wu —- auteur principal Wenhui Hou, Ahmad Azizimanesh, Tara Penña, et Carla Watson "ont fait tellement de travail" pour documenter les propriétés de l'appareil et l'affiner, créer environ 200 versions différentes à ce stade, dit Wu. Tous sont répertoriés avec Sewaket en tant que co-auteurs, avec Askari et Ming Liu de l'Université Xi'an Jiaotong en Chine.