Právě ty slibují bezprecedentní kontrolu nad vlastnostmi zařízení na úplně nejmenších škálách. Nová studie z TU Wien však ukazuje, že to celé je mnohem komplexnější.

Ukazuje se totiž, že problém nespočívá pouze v samotných materiálech, ale také v tom, jak spolu jednotlivé vrstvy interagují. Když se dvourozměrný materiál zkombinuje s izolační vrstvou, vzniká mezi nimi nepatrná mezera, která má překvapivě velký vliv na výsledný výkon. Identifikace materiálů, které se tomuto problému vyhnou, může být dost dobře rozhodující pro budoucnost polovodičového průmyslu. Zároveň by mohla zabránit nákladným slepým uličkám ve výzkumu.

Profesor Mahdi Pourfath upozorňuje, že vědci se dlouho oprávněně soustředili na výjimečné elektronické vlastnosti materiálů, jako je grafen nebo sulfid molybdeničitý. Často se ale přehlíželo, že samotný materiál ještě netvoří funkční elektronické zařízení. Jak víme, každý tranzistor potřebuje kromě polovodiče také izolační vrstvu, obvykle oxid, která odděluje aktivní materiál od řídicí elektrody. A zde začínají komplikace.

Princip tranzistoru spočívá v tom, že dokáže přepínat polovodič mezi vodivým a nevodivým stavem. U moderních konceptů může tuto roli plnit právě dvourozměrný materiál. Řízení tohoto přepínání zajišťuje gate elektroda, která je od polovodiče oddělena tenkou izolační vrstvou. Každopádně aby bylo možné dosáhnout maximální miniaturizace a přesnosti, musí být tato vrstva co nejtenčí. To není v současné chvíli plně možné.

Podle profesora Tibora Grassera je vazba mezi dvourozměrným materiálem a izolační vrstvou často velmi slabá. Drží je pohromadě pouze van der Waalsovy síly, které jsme včera mírně naťukli v souvislosti s krystalickými polovodiči. Jsou to relativně slabé interakce mezi atomy, proto se vrstvy nikdy dokonale nesloučí, zkrátka vždy mezi nimi zůstává drobná mezera.

Tato mezera je extrémně malá, přibližně 0,14 nanometru, což je méně než velikost jediného atomu síry. Například koronavirus SARS-CoV-2 je asi 700krát větší. Přesto má tato téměř neviditelná vzdálenost viditelný dopad na funkci zařízení. Oslabuje totiž kapacitní vazbu mezi vrstvami, čímž zneefektivňuje řízení tranzistoru. Jinými slovy, bez ohledu na to, jak dobré vlastnosti samotný materiál má, tato mezera může představovat velký limit.

To zároveň přidává na skutečnosti, že i další zmenšování elektronických součástek má své fyzikální hranice, které nelze obejít pouhým výběrem lepšího materiálu. Je nutné přemýšlet komplexněji, o celém systému jako o propojeném celku.

Jedním z možných řešení by mohly být takzvané zipper materials, tedy materiály, které do sebe na atomární úrovni zapadají podobně jako zip. V takovém případě nevzniká mezi polovodičem a izolantem volná mezera, protože vazba mezi nimi je mnohem pevnější než u van der Waalsových interakcí. To by mohlo výrazně zlepšit výkon a umožnit další miniaturizaci.

Výzkum z TU Wien tak přináší poměrně důležité poselství, kdy se nestačí soustředit pouze na vlastnosti jednotlivých dvourozměrných materiálů, ale je potřeba navrhovat celistvé struktury - přímo kombinaci polovodiče a izolantu už od samého začátku. Jinak hrozí, že se do vývoje investují obrovské prostředky, aniž by bylo možné dosáhnout očekávaných výsledků, a to kvůli základním fyzikálním omezením, o kterých se dobře ví.