二维(2D)材料 – 像单层原子一样薄 – 自2004年首次在石墨烯等材料中被发现以来，一直吸引着科学家们的灵活性，弹性和独特的电子特性。其中一些材料特别容易受到影响。拉伸和拉伸时材料属性的变化。在应用的应变下，预测它们会在一瞬间经历不同的超导，而不是在下一阶段不导通，或者在一瞬间光学不透明到下一阶段是透明的。
现在，罗切斯特大学的研究人员利用晶体管级设备平台以新的方式将二维材料与氧化物材料结合起来，充分探索这些可变二维材料的功能，以转换电子，光学，计算和许多其他技术。
“我们正在开辟一个新的研究方向，” 电气和计算机工程和物理学助理教授Stephen Wu说 。“有大量具有不同属性的2D材料 – 如果你拉伸它们，它们会做各种各样的事情。”
该平台在Wu实验室开发，配置与传统晶体管非常相似，可以将一小片2D材料沉积到铁电材料上。施加到铁电体上的电压 – 其作用类似于晶体管的第三端子，或者通过压电效应对2D材料进行栅极应变，使其拉伸。反过来，这会触发相变，可以完全改变材料的行为方式。当电压关闭时，材料 保持 其相位，直到施加相反的极性电压，使材料恢复到其原始相位。
“二维压电技术的最终目标是采取以前无法控制的所有事物，例如这些材料的拓扑，超导，磁性和光学性质，现在只需通过拉伸即可控制它们芯片上的材料，“吴说。
“如果你用拓扑材料做这件事，你可能会影响量子计算机，或者如果用超导材料做到这一点，你就会影响超导电子产品。”
最大化摩尔定律
在Nature Nanotechnology的一篇论文中 ，吴和他的学生描述了在设备平台中使用二维钼二碲(MoTe 2)薄膜。当拉伸和未拉伸时，MoTe 2 从低导电率半导体材料变为高导电性半金属材料并再次返回。
“它的运行方式就像场效应晶体管。你只需要在第三个端子上施加一个电压，MoTe 2 就会向一个方向伸展一点，然后变成导电的东西。然后你将它向另一个方向拉回来，突然间你有一些导电率低的东西，“吴说。
他补充说，这个过程在室温下工作，并且非常“仅需要少量的应变 – 我们将MoTe 2 仅拉伸0.4%才能看到这些变化。”
摩尔定律着名地预测，密集集成电路中的晶体管数量将每两年增加一倍。
然而，技术已接近传统晶体管尺寸缩小的极限。因此，当我们达到摩尔定律的极限时，吴实验室开发的技术可能会在追求更快，更强大的计算能力的过程中超越这些限制而产生深远的影响。
由于不需要电源来保持导电状态，因此Wu的平台有可能执行与晶体管相同的功能，功耗更低。此外，它最大限度地减少了由于陡峭斜率引起的电流泄漏，在该斜率处，器件通过施加的栅极电压改变导电率。这两个问题 – 高功耗和电流泄漏 – 都限制了传统晶体管在纳米尺度下的性能。
“这是第一次示威，”吴补充道。“现在由研究人员来决定它的进展情况。”
没有压力，没有收获
Wu平台的一个优势是它的配置与传统晶体管非常相似，因此最终可以更容易地适应当前的电子设备。但是，在平台到达该阶段之前需要做更多的工作。目前，在设备发生故障之前，该设备在实验室中只能运行70到100次。虽然其他非易失性存储器(如闪存)的耐用性要高得多，但它们的运行速度远远低于Wu实验室开发的基于应变的设备的最终潜力。
“我认为这是一个可以克服的挑战吗?“绝对地，”吴说，他将与罗切斯特机械工程助理教授Hesam Askari一起解决这个问题，他也是该论文的合着者。“当我们理解这个概念是如何运作的时候，我们可以解决这个材料工程问题。”
他们还将研究可以对各种二维材料施加多大的应变而不会使它们破裂。随着技术的发展，确定概念的最终极限将有助于指导研究人员使用其他相变材料。