Krzem ma swoje ograniczenia
Przez lata obowiązywała prosta zasada: im mniejsze tranzystory, tym lepsze procesory. Ta strategia sprawdzała się przez dziesięciolecia, ale teraz widać wyraźnie, że zbliżamy się do ściany. Gdy elementy mają szerokość kilkudziesięciu atomów, każda niedoskonałość produkcji może powodować poważne problemy z działaniem całego układu. Wyzwania nie dotyczą braku pomysłów, lecz fundamentalnych praw fizyki. Upływy prądu, zakłócenia i niezwykle skomplikowane procesy wytwórcze sprawiają, że dalsze miniaturyzowanie krzemowych układów staje się coraz trudniejsze i droższe.
Czytaj też: Panele słoneczne przyszłości już w laboratoriach. Naukowcy pokonali barierę łączenia perowskitów z krzemem
Rozwiązaniem mogą być tak zwane półprzewodniki dwuwymiarowe. To materiały, które można cienić do pojedynczej warstwy atomowej, zachowując przy tym swoje właściwości elektryczne. Dwusiarczek molibdenu i dwuselenek wolframu to związki, które szczególnie interesują badaczy. W przeciwieństwie do krzemu, te materiały pozwalają na efektywny przepływ ładunków nawet przy ultracienkich strukturach. Co ważne, można je dostrajać jako tranzystory typu n lub p, czyli podstawowe elementy każdego obwodu logicznego. Najciekawszy aspekt tej technologii to nie same materiały, ale sposób ich łączenia. Naukowcy połączyli eksfoliację półprzewodników z roztworu z montażem sterowanym polem elektrycznym. Pozwala to na precyzyjne układanie nanopłatków materiałów między wcześniej przygotowanymi elektrodami. Ta metoda eliminuje potrzebę stosowania litografii, trawienia i procesów wysokotemperaturowych, które do tej pory były niezbędne w produkcji półprzewodników. Nowa technologia umożliwia równoległy montaż wielu elementów na jednym układzie w pojedynczym kroku.
Jak to działa w praktyce?
Proces zaczyna się od elektrochemicznej eksfoliacji, gdzie napięcie elektryczne wprowadza duże jony między warstwy kryształu. Delikatne ultradźwięki oddzielają poszczególne warstwy, tworząc stabilne nanopłatki o wymiarach przekraczających jeden mikrometr. Kluczowe jest precyzyjne kontrolowanie czasu trwania procesu. Badacze ustalili, że 15 sekund pozwala uzyskać kanały o grubości około 10 nanometrów z dobrą jednorodnością. Oznacza to możliwość kontrolowania właściwości materiału z dokładnością do pojedynczych warstw atomowych. Nawet najlepsze materiały mają defekty. W przypadku półprzewodników 2D problemem są brakujące atomy siarki lub selenu, które mogą pogarszać właściwości elektryczne. Naukowcy zastosowali obróbkę chemiczną przy użyciu superkwasu TFSI, który skutecznie naprawia te ubytki. Rezultaty są imponujące: poprawione właściwości elektryczne materiałów przekładają się bezpośrednio na lepsze działanie gotowych tranzystorów.
Czytaj też: Wiązka elektronów zamienia zwykły węglowodór w diamenty. Japończycy właśnie zrewolucjonizowali jubilerstwo
Liczby mówią same za siebie. Tranzystory z dwusiarczku molibdenu osiągnęły średnią ruchliwość nośników 4,3 cm² na wolt-sekundę i współczynniki prądu włączenia/wyłączenia powyżej 50 000. Oznacza to, że skutecznie przełączają się między stanami włączonym i wyłączonym. Tranzystory z dwuselenku wolframu osiągnęły 3,0 cm² na wolt-sekundę i współczynniki 30 000. Co ważne, oba typy działały przy podobnych poziomach prądu i napięciach, co ułatwia ich integrację w jednym obwodzie. Badacze poszli dalej niż pojedyncze tranzystory. Stworzyli inwertery, bramki NAND i NOR, które są podstawą logiki cyfrowej. Zbudowali nawet komórkę statycznej pamięci RAM, łącząc dwa inwertery w konfiguracji skrzyżowanej. Wszystkie układy wykazały niskie zużycie energii, dokładne sygnały wyjściowe i niezawodne przechowywanie danych. W całej matrycy 30 urządzeń odnotowano niewielkie różnice w wydajności, co sugeruje dojrzałość technologii.
Nowa metoda otwiera drogę do skalowalnej i tańszej produkcji zaawansowanej elektroniki. Montaż sterowany polem elektrycznym mógłby zostać rozszerzony na inne kombinacje materiałów 2D, oferując alternatywę dla zastosowań, gdzie tradycyjne metody krzemowe są zbyt drogie lub skomplikowane. Czy to oznacza koniec ery krzemu? Raczej nie w najbliższym czasie. Nowe technologie potrzebują lat rozwoju zanim trafią do masowej produkcji. Ale perspektywa elektroniki opartej na innych materiałach niż krzem staje się coraz bardziej realna. To może być jeden z tych przełomów, które zmieniają reguły gry, lecz na faktyczne zmiany będzie trzeba jeszcze nieco poczekać.