第一作者Muhammad Nadeem博士，卧龙岗大学
由卧龙岗大学领导的一项合作研究证实了新一代超低能量“拓扑电子”的开关机制。
基于新型量子拓扑材料，这种器件将拓扑绝缘体从非雷竞技苹果版导电(传统电绝缘体)“切换”到导电(拓扑绝缘体)状态，电流可以沿着其边缘状态流动，而不会浪费能量耗散。
这种拓扑电子学可以从根本上减少计算和电子的能源消耗，据估计，这将消耗全球8%的电力，并每十年翻一番。
由卧龙冈大学(UOW)的Muhammad Nadeem博士领导的这项研究还引入了新南威尔士大学和莫纳什大学FLEET中心合作者的专业知识。
解决了切换难题，并引入了TQFET
二维拓扑绝缘体是一种很有前途的拓扑量子电子器件材料，其边缘态输运可以由门致电场控制。
然而，这种电场诱导拓扑开关的主要挑战是需要一个不切实际的大电场来关闭拓扑带隙。
跨节点和跨学科FLEET研究团队研究了电子性质的宽度依赖性，以确认一类被称为之字- xene纳米带的材料将满足操作的必要条件，即:
- 自旋过滤手性边缘状态在锯齿状xene纳米带保持无间隙和保护反后向散射
- 在无隙和有隙边缘状态之间切换所需的阈值电压随着材料宽度的减小而减小，没有任何基本下限
- 边缘状态之间的拓扑切换可以在没有大量(即内部)带隙关闭和重新打开的情况下实现
- 量子约束之形xene纳米带的出现可能会促进超低能量拓扑计算技术的发展。
锯齿色Xenes可能是关键
iv族和v族元素的二维薄片(2D Xenes)是拓扑绝缘体。
石墨烯是第一种被证实的原子薄材料，它是一种二维碳原子薄片(第四组)，排列在蜂窝状晶格中。现在，研究人员正在研究iv族和v族材料的类似蜂窝片的拓扑和电子性质，这些材料统称为2D-Xenes。
2D-Xenes是拓扑绝缘体——即，在其内部绝缘，但沿其边缘导电，电子在传输时不耗散任何能量(类似于超导体)。当2D-Xene薄片被切割成一端为“之”字形边缘的窄带时，被称为之字形xene纳米带，它保留了拓扑绝缘体的导电边缘模式特征，被认为保留了它们在不耗散的情况下携带电流的能力。
最近有研究表明，锯齿状氙纳米带有潜力制造拓扑晶体管，可以将开关能量降低四分之一。
由UOW领导的这项新研究发现如下:
维护边缘状态测量表明，锯齿状xene纳米带中自旋过滤的手性边缘状态保持无间隙，即使在超窄的纳米带中有有限的边缘重叠(这意味着2D量子自旋霍尔材料经历了向一维拓扑金属的相变)，也不会受到导致电阻的后向散射的保护。这是由边界态与内在带拓扑驱动的能量零模式相互交织所驱动的。
FLEET首席研究员A/ Dimi Culcer教授(新南威尔士大学)
“量子限制之形氙纳米带是一类特殊的拓扑绝缘材料，其体积样品的能隙随着宽度的减小而增加，而边缘态传导即使宽度减小到准一维也能保持强大的耗散，”FLEET研究人员和新研究的合作者a / Dmitrie Culcer教授(UNSW)说。“限制之字形氙纳米带的这一特征与其他二维拓扑绝缘材料形成鲜明对比，在其他二维拓扑绝缘材料中，限制效应也会在边缘状态中诱导能量缺口。”
阈值电压低由于栅极诱导边缘间耦合的宽度和动量依赖的可调性，在无隙和有隙边缘状态之间切换所需的阈值电压随着材料宽度的减小而减小，没有任何基本下限。
FLEET主任Michael Fuhrer教授(莫纳什大学)
该研究的主要作者Muhammad Nadeem博士(UOW)说:“一个超窄的锯齿形xene纳米带可以在具有导电无间隙边缘态的准一维拓扑金属和具有间隙边缘态的普通绝缘体之间‘切换’，只需稍微调整一下电压旋钮。”“电压旋钮的理想调整随着锯齿状氙纳米带宽度的减小而减小，较低的工作电压意味着该设备可以使用更少的能量。电压旋钮调整的减少是由于一种称为自旋-轨道耦合的相对论量子效应，与原始的锯齿状氙纳米带形成鲜明对比，后者是普通绝缘体，其中所需的电压旋钮调整随着宽度的减小而增加。”
拓扑开关，不需要大量带隙关闭当锯齿状xene纳米带宽度小于临界极限时，可以实现边缘状态之间的拓扑切换，而不需要大量带隙关闭和重新打开。这主要是由于量子限制效应对体带频谱，这增加了非平凡的体带隙宽度降低。
“这种行为是新的，不同于二维拓扑绝缘体，在二维拓扑绝缘体中，带隙的关闭和重新打开总是需要改变拓扑状态，”迈克尔·福赫勒教授(莫纳什大学)说。“宽之形氙纳米带的作用更像二维情况，其中门电场在关闭和重新打开体带隙的同时切换边缘状态电导。”
王晓林教授(卧龙岗大学)
王晓林教授(UOW)说:“在存在自旋轨道耦合的情况下，大间隙限制之形氙纳米带中的拓扑开关机制推翻了在标准场效应晶体管分析中利用窄间隙和宽通道材料来降低阈值电压的普遍智慧。”
“此外，利用之字形氙纳米带作为通道材料的拓扑量子场效应晶体管在设计和制造中具有工程复杂性的几个优点，”Alex Hamilton教授(新南威尔士大学)说。
与MOSFET技术不同，阈值电压的大小依赖与隔离技术纠缠在一起，拓扑量子场效应晶体管中阈值电压的降低是与拓扑和量子力学功能相关的锯齿状氙纳米带的固有属性。
除了导通和开关机制存在巨大差异外，制造具有锯齿状氙纳米带的拓扑量子场效应晶体管所需的技术方面也与mosfet存在根本不同:对于具有节能开关机制的低压TQFET，没有专门的技术/隔离技术的基本要求。
FLEET副主任兼首席研究员Alex Hamilton教授(新南威尔士大学)
在保持on态拓扑鲁棒性和最小阈值电压的情况下，信道宽度可以减小到准一维。这使得拓扑量子场效应晶体管的几何结构得到优化，通过多个边缘态通道增强了信噪比。
这项研究
利用有限尺寸效应优化受限2D-Xene纳米带的拓扑开关发表在2022年1月的《应用物理评论》上。(DOI) 10.1063/5.0076625
本研究由澳大利亚研究理事会(卓越中心和未来奖学金计划)。
联系
- Muhammad Nadeem博士(卧龙岗大学)mnadeem@uow.edu.au
- Michael Fuhrer教授(莫纳什大学)michael.fuhrer@monash.edu
- 王晓林教授(卧龙岗大学)xiaolin@uow.edu.au