كيف حوّل تقاطع كهروحديدي منزلق استقطابًا ضعيفًا إلى فرق هائل في القراءة؟

تكمن مشكلة المواد الكهروحديدية المنزلقة في مفارقة واضحة: يمكن تبديل استقطابها مرارًا، لكن هذا الاستقطاب الضعيف يصعّب التمييز كهربائيًا بين حالتيها في جهاز ذي طرفين. ولمعالجة مشكلة قراءة الحالة المخزّنة، صمّم باحثون من معهد أشباه الموصلات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم وجامعة هونغ كونغ تقاطعًا نفقيًا تتعاقب فيه طبقات الكروم ونيتريد البورون السداسي وثاني كبريتيد الموليبدينوم من الطور 3R والغرافين أحادي الطبقة: Cr/h-BN/3R-MoS₂/graphene. ووسّعوا نهج التصميم إلى نظام المادة 1T′-ReS₂. 810

أين يحدث تضخيم الإشارة؟

لكل طبقة وظيفة. يشكّل نيتريد البورون السداسي (h-BN) حاجزًا نفقيًا منتظمًا نسبيًا يحدّ من تسرّب التيار. وفي 3R-MoS₂، تؤدي حركة صغيرة جدًا بين الطبقات إلى عكس اتجاه الاستقطاب الكهروحديدي، فتتغير صعوبة عبور الإلكترونات للحاجز. أما الغرافين أحادي الطبقة، فيعمل قطبًا ضعيف الحجب، تتأثر كثافة حاملات الشحنة فيه بتغيّر الاستقطاب. ويضخّم التأثير المشترك على الحاجز وعلى حاملات الشحنة الفرق بين حالتي القراءة. وطُبّق نهج التصميم نفسه على 1T′-ReS₂. 89

بهذا الترتيب، لا يُطلب من المادة التي تنقلب فيها القطبية أن تؤدي أيضًا دور حاجز النفق المستقل. ويتيح ذلك تحسين وضوح القراءة مع الاحتفاظ بميزة تحمّل التبديل المتكرر المنسوبة إلى الاستقطاب الناشئ عن انزلاق الطبقات، مقارنةً بالمواد الكهروحديدية الأكسيدية التقليدية. 89

ماذا أظهرت القياسات؟

عند جهد قراءة 0.5 فولت، بلغت نسبة المقاومة الكهربائية النفقية بين الحالتين 1.9 × 10⁷، أي نحو 19 مليونًا؛ وهي، وفق التغطية البحثية، أعلى بأكثر من أربع مراتب مقدار من النتائج المعلنة سابقًا لتقاطعات كهروحديدية منزلقة. وبلغت كثافة التيار في حالة التوصيل 222 أمبير/سم². كما أمكن تبديل حالة الجهاز بصورة موثوقة بنبضات لا يتجاوز عرضها 13 نانوثانية، بطاقة تبديل مُبلّغ عنها قدرها 6.5 فيمتوجول لكل بِت، مع تحمّل أكثر من 10¹¹ دورة تبديل. 10

وصنع الفريق أيضًا مصفوفة 8 × 8؛ وأظهرت خلاياها الـ64 جميعها تبديلًا متسقًا بين حالتين لا تزولان بانقطاع التغذية الكهربائية. وتدعم النتيجة مواصلة البحث في الذاكرة غير المتطايرة والحوسبة داخل الذاكرة باستخدام المصفوفات التقاطعية، لكنها لا تكفي وحدها للحكم على أداء مصفوفات أكبر ودوائرها المساندة. 1011