supermaterialer bloghoved

Nanojulekalender 10: 2D transistorer flexer

En af de åbne spørgsmål er om halvledende 2D materialer (af hvilke der er flere tusinde), kan matche silicium transistorer på nogen måde. Silicium elektronik er ekstremt højt udviklet, og den berømte Moores lov har forudsagt silicium-transistorens endeligt så mange gange uden held, at det næsten er en joke. Silicium elektronik er en fantastisk teknologi, og silicium er på alle måder et supermateriale.

Men ganske som Frodo ikke på forhånd så ud til at få de bedste bookmaker-odds i kampen mod Sauron i Ringenes Herre, skal man aldrig sige aldrig.

Fleksible transistorer til IoT og bøjelige elektronik

Når det kommer til fleksibel elektronik, hvilket vil sige: elektronik der kan bøjes, bukkes og krølles sammen og dermed indbygges i lærred, stof, tøj, og ikke mindst pakkes sammen langt nemmere end PCB (printed circuit boards), så er 2D materialer særdeles interessante. En hel del fleksibel elektronik idag bygger på organiske molekyler, hvor [OLED ](https://www.oled-info.com/oled-introduction#:~:text=OLED%20(Organic%20Li...(Organic Light Emitting Diode) er nok den mest kendte teknologi - mange af os har et fjernsyn, armbåndsur eller computerskærm med flotte OLED farver. Selvom udviklingen indenfor organisk elektronik tager stormskridt, er *performance * af de organiske kredsløb langt fra på højde med silicium.

Illustration: https://techxplore.com/news/2020-11-flexible-transparent-electronics-fab...

2D materialer til gengæld, leverer derimod solide elektroniske karakteristikker OGSÅ selvom kredsløbene er printet på bøjelige plastikfilm. I Nature Electronics skrev en række forskere fra Chinese Academy of Science sidste måned en spændende artikel om "Large-scale flexible and transparent electronics based on monolayer molybdenum disulfide field-effect transistors", som man kan læse om rundt omkring på nettet, fx her.

Forskerne laver komponenter og kredsløb i en atomart tynd halvledende film af MoS2 (molybdæn disulfid), som har et ret stort båndgap omkring 2 eV, hvis man slår på i DTU Professoren Kristian Thygesens vidunderlige database C2DB. Her kan man også se hvordan MoS2 ser ud - en flot krystal, synes jeg! Det kan der komme udmærkede transistorer af med en stor on/off ratio (som er nødvendig for at kunne lukke strømmen helt ned i "off"-tilstand, og spare energi i store kredsløb), og anstændig ladningsbærer bevægelighed (mobilitet) på 55 cm2/Vs. Det er en del mindre en enkeltkrystallinsk silicium (1400 cm2/Vs) men meget bedre end organisk elektronik kan levere. Her er man endnu ikke i nærheden af 10 cm2/Vs. Og hvis man skifter MoS2 ud med en anden halvledende 2D krystal, kan bevægeligheden blive op til 10 gange større. Silicium performance på et fleksibelt stykke plastik folie er dermed inden for rækkevidde...

Det er nok ikke "bøjelige CPU'er" der er mest relevante, men forskellige former for sensorer, detektorer og synaptiske kredsløb - som for eksempel implantater til at give blinde synet igen. Takket være de fleksible egenskaber kan langt tættere integration lade sig gøre. Der er masser af praktiske problemer der stadig skal lykkes, men resultater som dette lover godt.

En lækker lille transistor sandwich

En anden nyhed udnytter at de atomtynde lag kan lægges i sandwich ovenpå hinanden, og dermed danne laminater med nanometer dimensioner (for eksempel tykkelse). Dette gør det muligt at slå nogle af de ellers fundamentale begrænsninger transistorer ellers har. Forskere fra Buffalo Universitet har med en ret simpel arkitektur lavet en hybrid mellem grafen og MoS2, der har et såkaldt "sub-threshold swing" (er ikke sikker på hvad det hedder på dansk) på det halve af (30 meV per dekade) hvad der normalt opfattes som den ideale grænse på 60 meV per dekade. Dette angiver hvor brat strømmen kan tænde og slukke - eller hvor lille en spændingsforskel der kan ændre transistoren mellem tændt og slukket (dvs om der løber strøm eller ej). Normalt gælder det om at have så lille et tal som muligt.

Illustration: https://phys.org/news/2020-12-atom-thin-transistor-voltage-common-semico...

Derudover kunne forskerne med transistoren måle en højere on-strømtæthed en både silicium og andre 2D transistorer, og dette er også rigtigt vigtigt for at kunne lave energi-effektive elektroniske kredsløb.

Jeg opfatter resultater som disse en slags varsler om en fremtid, hvor vi kan slå mange af de "traditionelle" fartbegrænsninger for elektronik/optoelektronik ud af banen med nanomaterialer! Det tager sin tid, for der skal tænkes helt, helt ud af boksen når materialerne pludselig er så tynde som det er fysisk muligt for et materiale at være. Det er den helt store juleaften for mig at se 2D elektronik blive mainstream, og jeg er ikke nogen tålmodig dreng, sludder, mand. Glædelig 10 December!

Peter Bøggild er professor i nanoteknologi på DTU. På bloggen Supermaterialer skriver han om stort, småt og tusind gange mindre.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten