Al meer dan 50 jaar, siliciumchipmakers hebben inventieve manieren bedacht om elektriciteit aan en uit te zetten, het genereren van de digitale enen en nullen die woorden coderen, afbeeldingen, films en andere vormen van gegevens.

Maar als onderzoekers de komende 50 jaar nadenken over elektronica, ze zijn voorbij silicium begonnen te kijken naar nieuwe soorten materialen die voorkomen in enkele lagen van slechts drie atomen dik - veel dunner dan moderne siliciumchips - maar toch in staat zijn om elektriciteit efficiënter te regelen om die digitale enen en nullen te creëren.

Nu heeft een team onder leiding van Stanford Electrical Engineering Associate Professor Eric Pop aangetoond hoe het mogelijk zou kunnen zijn om dergelijke atomair dunne materialen en elektronica in massa te produceren. Waarom zou dit handig zijn? Omdat zulke dunne materialen ook transparant en flexibel zouden zijn, op manieren die elektronische apparaten mogelijk zouden maken die met silicium niet gemaakt zouden kunnen worden.

"Wat als je raam ook een televisie was, of je zou een heads-up display op de voorruit van je auto kunnen hebben?" vroeg Kirby Smithe, een afgestudeerde student in het team van Pop, het suggereren van elektronische toepassingen die de nieuwe materialen mogelijk zouden kunnen maken.

Smit, Pop en co-auteurs Chris English en Saurabh Suryavanshi, beide afgestudeerde studenten in Pop's lab, hebben hun werk beschreven in het tijdschrift 2D Materials, dat is gewijd aan onderzoek naar atomair dunne, tweedimensionale apparaten.

Theorie in realiteit

Het doel van het team was om een ​​productieproces te ontwikkelen om enkellaagse chips om te zetten in praktische realiteiten. Het eerste atomair dunne materiaal werd in 2004 gemeten toen wetenschappers opmerkten dat grafeen - een materiaal dat verwant is aan het "lood" in potloden - kan worden geïsoleerd in lagen met de dikte van een enkel koolstofatoom. De wetenschappers die deze ontdekking deden, kregen in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Maar het proces dat werd gebruikt om die ontdekking te doen - de wetenschappers tilden lagen grafeen van een rots met plakband - had geen zin om ultradunne kristallen om te zetten in elektronica van de volgende generatie.

In de nasleep van de ontdekking van grafeen, ingenieurs begonnen aan een zoektocht om vergelijkbare materialen te vinden en, belangrijker, praktische manieren om atomair dunne schakelaars in circuits te maken.

Het is op de kwestie van maakbaarheid waar de teamleden van Stanford een grote vooruitgang hebben geboekt. Ze begonnen met een enkele laag materiaal genaamd molybdeendisulfide. De naam beschrijft de sandwichachtige structuur:een vel molybdeenatomen tussen twee lagen zwavel. Eerder onderzoek had aangetoond dat molybdeendisulfide een goede overstap maakte, het regelen van elektriciteit om digitale enen en nullen te creëren.

Opschalen

De vraag was of het team een ​​molybdeendisulfidekristal kon maken dat groot genoeg was om een ​​chip te vormen. Dat vereist het bouwen van een kristal ongeveer zo groot als je miniatuur. Dit klinkt misschien niet als een groot probleem totdat je de beeldverhouding van het vereiste kristal bekijkt:een chip van slechts drie atomen dik, maar de grootte van je miniatuur is als een enkel vel papier dat groot genoeg is om de hele Stanford-campus te bedekken.

Het Stanford-team vervaardigde die plaat door drie lagen atomen af ​​te zetten in een kristallijne structuur die 25 miljoen keer breder is dan hij dik is. Smithe bereikte dit door ingenieuze verfijningen aan te brengen in een productieproces dat chemische dampafzetting wordt genoemd. Deze benadering verbrandt in wezen kleine hoeveelheden zwavel en molybdeen totdat de atomen verdampen als roet. De atomen zetten zich vervolgens af als een ultradunne kristallijne laag op een "handvat"-substraat, dat kan glas of zelfs silicium zijn.

Echter, het werk van de onderzoekers was niet gedaan. Ze moesten het materiaal nog in elektrische schakelaars verwerken en de werking ervan begrijpen. Voor deze, ze maakten gebruik van een recente opmars onder leiding van Engelsen, die ontdekte dat extreem schone depositieomstandigheden essentieel zijn om goede metallische contacten met de molybdeendisulfidelagen te vormen. De schat aan nieuwe experimentele gegevens die nu in het laboratorium beschikbaar zijn, heeft Suryavanshi ook in staat gesteld om nauwkeurige computermodellen van de nieuwe materialen te maken en hun collectieve gedrag als circuitcomponenten te voorspellen.

"We hebben veel werk voor de boeg om dit proces op te schalen naar circuits met grotere schalen en betere prestaties, ' zei pap. 'Maar we hebben nu alle bouwstenen.'

De schakelaars etsen

Tijdens de chipproductie, circuits moeten in het materiaal worden geëtst. Om aan te tonen hoe een grootschalige, een enkellaags chipproductieproces zou deze stap in de toekomst kunnen uitvoeren, het team gebruikte standaard etsgereedschappen om het Stanford-logo in hun prototype te snijden. En dan, om een ​​beetje plezier te hebben met een project dat ze tijdens een nationale verkiezingscampagne hebben voltooid, ze sneden portretten op nanoschaal van de twee belangrijkste partijkandidaten in hun atomair dunne canvas.

Pop zei dat het Stanford-team hiertoe werd geïnspireerd door onderzoekers die iets soortgelijks deden tijdens de verkiezingscyclus van 2008. toen ze "nanobama" maakten - minuscule afbeeldingen van toenmalig president-elect Barack Obama met behulp van koolstofnanobuisjes. Nanobuisjes zijn een andere potentiële chiptechnologie van de volgende generatie; de onderzoekers van dat project gebruikten nanobama om de aandacht te vestigen op het vermogen van technologen om objecten te maken die bijna onvoorstelbaar klein zijn.

"Veel mensen zijn geïnteresseerd in elektronica omdat de technologie nuttig is, ' zei Pop. 'Maar we hopen dat nanotrump en nanoclinton de interesse in onderzoek kunnen vergroten. Misschien zal het zien van portretten die in een canvas van drie atomen dik zijn geëtst, toekomstige onderzoekers inspireren op manieren die we ons nog niet eens kunnen voorstellen."