22 mei. 2023
2 minuten
Onderzoekers van de Universiteit Twente toonden aan dat germaneen, een tweedimensionaal materiaal gemaakt van germaniumatomen, zich gedraagt als een topologische isolator. Het is de eerste 2D-topologische isolator die bestaat uit één type element. Het heeft ook het unieke vermogen om te schakelen tussen ‘aan’ en ‘uit’ toestanden, vergelijkbaar met een transistor. Dit kan leiden tot energie-efficiëntere elektronica.
Topologische isolatoren zijn materialen met de unieke eigenschap dat ze alleen langs de randen van het materiaal stroom geleiden. Langs deze geleidende randen stroomt elektriciteit zonder energieverlies. “Momenteel verliezen elektronische apparaten veel energie in de vorm van warmte, omdat defecten in het materiaal de weerstand verhogen. Daardoor wordt je mobiele telefoon na veel gebruik onaangenaam warm”, aldus Pantelis Bampoulis. Dit komt doordat verstrooiing van elektronen aan defecten in normale materialen is toegestaan. Aan de randen van 2D topologische isolatoren is de verstrooiing van elektronen bij defecten verboden vanwege het unieke topologische beschermingsmechanisme. Daarom loopt de elektrische stroom in 2D topologische isolatoren zonder energieverlies. Dat maakt ze energie-efficiënter dan de huidige elektronische materialen.
Germaneen maken
Germaneen is zo’n 2D topologische isolator. “De huidige topologische isolatoren bestaan uit complexe structuren van verschillende soorten elementen. Germaneen is uniek; het bestaat uit slechts één type element”, aldus Bampoulis. Om dit bijzondere materiaal te maken, smolten de onderzoekers germanium samen met platina. Als het mengsel afkoelt, vormt zich bovenop de germanium-platina-legering een uiterst dun laagje germaniumatomen in een honingraatraster. Deze 2D-laag van atomen is germaneen.
Het lukte de onderzoekers ook de geleidende eigenschappen van het materiaal ‘uit te schakelen’ met een elektrisch veld. Het is de eerste topologische isolator waarbij dat mogelijk is. “De mogelijkheid om te schakelen tussen ‘aan’ en ‘uit’ maakt germaneen interessant”, zegt Bampoulis. Dit opent de deur naar het ontwerpen van zogenaamde topologische veldeffecttransistoren. Deze transistoren kunnen traditionele transistoren in elektronische apparaten vervangen. Met als resultaat elektronica die niet langer warm wordt.
De grootste warmte ontwikkeling in een elektronisch circuit zijn de schakelflanken van de halfgeleiders. Als een een transistor in 0 stand staat is er geen spanningval over die transistor, dus ook geen Watt vermogen en dat geld ook bij de1 stand van een transitor U x I = P .
Maar tijdens de overgang van de 0 naar 1 stand en v v, de zogenaamde schakelflank, is er stroom + spanningsval over de transistor. Dus Watt vermogen verlies in warmte.
Hoe snel en steil de flank ook is, er zal altijd tijdens de omschakeling tijd nodig zijn hoe kort ook. Immers niets gebeurd tijdloos volgens de natuurkunde.
De warmte ontwikkeling is giga klein, maar de hoeveelheid transistors en de schakelfrequentie op een chip zijn ook giga giga groot.
Dus met de stelling dat het warmte probleem is opgelost kan niet waar zijn