角度を使用してエレクトロニクスの未来を改善する

ナノテクノロジーとは、衣料品や自動車用塗料からスポーツ用品や電子機器まで、さまざまな分野に適用される用語です。結局のところ、それはすべて、サイズ、ナノメートル（nm）、そしてこの次元で発生する独特の現象を理解、制御、操作する人類の能力を指します。見方を変えると、1枚の紙の厚さは約100,000nmです。 （クリックしてインタラクティブなIBMナノテクノロジーのタイムラインを表示）

IBM Researchと、一部のプロジェクトでは、政府の資金援助を受けて、科学者は、携帯電話からIoTセンサー、巨大なクラウドデータセンターに至るまで、電子デバイスの電力密度とエネルギー効率を改善するためにナノスケールを調査しています。

図1 ：ナノサイズのキー型デバイスは、ロックの手のように0〜360度回転させることができ、トンネル電界効果トランジスタの電流をオン/オフするスイッチとして使用できます。

そのようなプロジェクトの1つは、IBMのチューリッヒ研究所の科学者EladKorenが主導しています。スイス国立科学財団（SNSF）内のAmbizioneプログラムの下で資金提供されているプロジェクトでは、チームは現在人気のあるグラフェンを含む2D材料の積み重ねの基本的な物理学を理解することに焦点を当てています。

グラフェンには多くの誇大宣伝がありますが、その優れた電子特性により、将来の半導体電子および量子デバイスにとって最も有望な材料の1つと見なされています。また、別の2D結晶の上に積み重ねる方法によっては、豊富な物理的特性を示します。ここで、非常に興味深く、少し複雑になります。

2つの積み重ねられた層がグラフェンなどの同じ材料でできている場合、周期的な2D超格子の特別なセットが特定の角度で出現します。このような不一致は、二層グラフェンシステムにバンドギャップを引き起こす可能性もあり、より強力でありながらエネルギー効率の高い次世代電子デバイス用のトランジスタタイプのデバイスを構築するための最初のステップの1つを生み出します。

コーレンと彼の同僚は、ピアレビュージャーナル Nature Nanotechnology の2016年9月号に最初の結果を発表しました。 。この論文では、チームは原子間力顕微鏡の鋭い先端を使用して、一般的な家の鍵のように見えるものを正確に制御する方法を示しました（図1）。

ナノサイズのキー型デバイスは、ロックの手のように0〜360度回転させることができます。これは、トンネル電界効果トランジスタ（TFET）の電流をオン/オフするスイッチとして使用できます。これは、電子機器のエネルギー漏れを減らします。

「0.1度を超える角度分解能で回転構成を制御することで、前例のない精度を達成しました。これにより、スタックの基本的な性質を探求し、その可能性を最大限に引き出すことができます」とコーレン氏は述べています。

現在の測定値レバーアームを連続的に回転させながら、V =50mVのバイアス電位でねじれたグラファイトナノ構造を流れます。挿入図：釣り合ったねじれ角θ=21.8°および38.2°での二層グラフェン結合の運動量空間表現。

スタッキング構成を高い角度精度で制御できるため、多くの物理的特性を制御および設計し、電子工学、光学、熱電、電気機械などの科学技術のさまざまな分野で新しい新しい材料を実現できます。

このデバイスはまた、単結晶セル内で高磁束を可能にし、有名なホフスタッターの蝶、強力な磁場と周期的な電位の下での電子の理論上の振る舞いを生み出します。

摩擦の法則はナノレジームから逃れることはできません。この小規模なデバイスでも、摩擦はキー型デバイスにとって課題となります。ご存知のように、摩擦は熱、摩耗を引き起こし、エネルギーを放散します。この規模では不幸な特性です。

信じられないことに、2Dレイヤードシステムの回転の不一致は、摩擦とエネルギー散逸を強力に抑制します。これは、超潤滑として知られている効果です。

「実質的に摩擦はありません。それは単に正しい角度を見つけることに基づいています」とコーレンは付け加えます。

コーレンは、彼の研究をこの分野の他の人々と共有することで、いくつかの斬新な素材やデバイスのデザインを生み出すことを望んでいます。