Najmniejsze elementy obecnie sprzedawanych chipów mają wielkość około 3 nanometrów. Teraz schodzimy już na poziom atomów
Piotr Mazurkiewicz
Krzemowe chipy komputerowe służą doskonale od ponad pół wieku i były przełomem cywilizacyjnym. Najmniejsze elementy obecnie sprzedawanych chipów mają wielkość około 3 nanometrów – co jest zaskakująco małym rozmiarem, biorąc pod uwagę, że grubość ludzkiego włosa to około 80 tys. nanometrów. Zmniejszenie rozmiarów elementów chipów pomoże zaspokoić zaspokoić niekończące się zapotrzebowanie na więcej pamięci i mocy obliczeniowej przy jak najmniejszych rozmiarach urządzeń. Jednak granica tego, co można osiągnąć przy użyciu standardowych materiałów i procesów, jest bliska.
Dlaczego to już koniec krzemu w chipach
Naukowcy z Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton w USA udoskonalają technologię półprzewodników, opracowując cieńsze, bardziej wydajne materiały zwane dichalkogenkami metali przejściowych (TMD). Materiały te, o grubości zaledwie kilku atomów, mogą pomóc w stworzeniu bardziej kompaktowych i wydajnych chipów komputerowych.
Naukowcy wykorzystują swoją wiedzę specjalistyczną z zakresu fizyki, chemii i modelowania komputerowego, aby stworzyć następną generację chipów komputerowych, dążąc do opracowania procesów i materiałów, które pozwolą wytworzyć chipy o lepszych funkcjach.
– Wszystkie nasze istniejące urządzenia elektroniczne wykorzystują chipy wykonane z krzemu, który jest materiałem trójwymiarowym. Obecnie wiele firm dużo inwestuje w chipy wykonane z materiałów dwuwymiarowych – powiedział Shoaib Khalid, fizyk badawczy w PPPL. Materiały w rzeczywistości istnieją w trzech wymiarach, ale są tak cienkie – często składają się tylko z kilku warstw atomów – że naukowcy nazwali je 2D.
Grafen, dichalkogenk, azotek boru i czarny fosfor to rewolucja
To ultracienkie substancje składające się z pojedynczej warstwy atomów. Materiały te wykazują unikalne właściwości fizyczne, chemiczne i elektroniczne, różniące się od ich odpowiedników przede wszystkim ze względu na ich ekstremalną cienkość i dużą powierzchnię. Grafen, pojedyncza warstwa atomów węgla ułożonych w sześciokątną siatkę, to najbardziej znany materiał 2D, znany ze swojej wytrzymałości, przewodności i elastyczności. Oprócz grafenu inne materiały 2D obejmują dichalkogenki metali przejściowych, sześciokątny azotek boru i czarny fosfor. Materiały te mają potencjalne zastosowania w elektronice, czujnikach, magazynowaniu energii i nanotechnologii.
Khalid wraz z Bharatem Medasanim z PPPL i Andersonem Janotti z Uniwersytetu w Delaware zbadali jeden potencjalny zamiennik krzemu: materiał 2D znany jako dichalkogenek metalu przejściowego (TMD).
Ich nowy artykuł, opublikowany w czasopiśmie 2D Materials, szczegółowo opisuje zmiany, jakie mogą wystąpić w strukturze atomowej TMD, dlaczego tak się dzieje i jak wpływają na materiał. Informacje o tych odmianach stanowią podstawę do udoskonalenia procesów niezbędnych do stworzenia mikroprocesorów komputerowych nowej generacji.
Trzy atomy grubości
Ostatecznym celem jest zaprojektowanie systemów produkcyjnych opartych na plazmie, które będą w stanie wytwarzać półprzewodniki na bazie TMD wykonane zgodnie z dokładnymi specyfikacjami wymaganymi dla danego zastosowania.
TMD może mieć grubość zaledwie trzech atomów. Są ułożone w strukturę krystaliczną lub sieć. W idealnym przypadku atomy są zorganizowane w precyzyjny i spójny wzór w całej sieci. W rzeczywistości we wzorze można znaleźć niewielkie zmiany. W jednym miejscu wzoru może brakować atomu lub atom może znajdować się w dziwnym miejscu. Naukowcy nazywają te zmiany defektami, ale mogą mieć korzystny wpływ na materiał.
Na przykład niektóre defekty TMD mogą sprawić, że półprzewodnik będzie bardziej przewodził prąd elektryczny. Niezwykle ważne jest, aby naukowcy zrozumieli, dlaczego powstają defekty i jak wpłyną one na materiał, aby mogli w razie potrzeby je uwzględnić lub wyeliminować. Zrozumienie typowych defektów pozwala także badaczom wyjaśnić wyniki wcześniejszych eksperymentów z TMD.
– Gdy produkowane są masowo, mają one nadmiar elektronów – powiedział Khalid, dodając, że badacze nie są pewni, dlaczego obecny jest nadmiar ujemnie naładowanych cząstek. – W tej pracy wyjaśniamy, że nadmiar elektronów może być spowodowany przez wodór – dodał.
