Tweedimensionale materialen, of kortweg 2D-materialen, zijn extreem veelzijdig, hoewel - of vaak juister omdat - ze uit slechts één of enkele lagen atomen bestaan. Grafeen is het bekendste 2D-materiaal. Molybdeendisulfide (een laag bestaande uit molybdeen- en zwavelatomen die drie atomen dik is) valt ook in deze categorie, Hoewel, in tegenstelling tot grafeen, het heeft halfgeleidereigenschappen. Met zijn team, Dr. Thomas Mueller van het Photonics Institute aan de TU Wien doet onderzoek naar 2D-materialen, zien ze als een veelbelovend alternatief voor de toekomstige productie van microprocessors en andere geïntegreerde schakelingen.

Het geheel en de som der delen

Microprocessors zijn een onmisbaar en alomtegenwoordig onderdeel in de moderne wereld. Zonder hun voortdurende ontwikkeling, veel van de dingen die we tegenwoordig als vanzelfsprekend beschouwen, zoals computers, mobiele telefoons en internet, helemaal niet mogelijk zou zijn. Echter, terwijl silicium altijd is gebruikt bij de productie van microprocessors, het nadert nu langzaam maar zeker zijn fysieke grenzen. 2D materialen, inclusief molybdeendisulfide, zijn veelbelovend als potentiële vervangers.

Hoewel er onderzoek is gedaan naar individuele transistors - de meest elementaire componenten van elk digitaal circuit - gemaakt van 2D-materialen sinds grafeen voor het eerst werd ontdekt in 2004, succes bij het creëren van meer complexe structuren is zeer beperkt geweest. Daten, het is alleen mogelijk geweest om individuele digitale componenten te produceren met een paar transistors. Om te komen tot een microprocessor die onafhankelijk werkt, echter, er zijn veel complexere circuits nodig die, daarnaast ook feilloos kunnen communiceren.

Dit is Thomas Mueller en zijn team nu voor het eerst gelukt. Het resultaat is een 1-bit microprocessor bestaande uit 115 transistors op een oppervlakte van ongeveer 0,6 mm2 die eenvoudige programma's kan draaien.

"Hoewel, dit lijkt natuurlijk bescheiden in vergelijking met de industriestandaarden op basis van silicium, dit is nog steeds een grote doorbraak binnen dit onderzoeksveld. Nu we een proof of concept hebben, er is in principe geen reden dat verdere ontwikkelingen niet mogelijk zijn, " zegt Stefan Wachter, een promovendus in de onderzoeksgroep van dr. Mueller. Echter, het was niet alleen de materiaalkeuze die resulteerde in het succes van het onderzoeksproject. "We hebben ook goed nagedacht over de afmetingen van de individuele transistors, " legt Mueller uit. "De exacte relaties tussen de transistorgeometrieën binnen een basiscircuitcomponent zijn een kritische factor om complexere eenheden te kunnen creëren en cascaderen."

Toekomstperspectieven

Het spreekt voor zich dat er veel krachtigere en complexere schakelingen met duizenden of zelfs miljoenen transistors nodig zullen zijn om deze technologie praktisch toepasbaar te maken. Reproduceerbaarheid blijft een van de grootste uitdagingen op dit moment binnen dit onderzoeksgebied, samen met het rendement bij de productie van de gebruikte transistors. Ten slotte, zowel de productie van 2D-materialen in de eerste plaats als de methoden om ze verder te verwerken, staan ​​nog in de kinderschoenen.

"Omdat onze circuits min of meer met de hand in het laboratorium werden gemaakt, zulke complexe ontwerpen gaan natuurlijk ver buiten onze mogelijkheden. Elk van de transistors moet werken zoals gepland om de processor als geheel te laten werken, " legt Muller uit, benadrukt de enorme eisen die aan de modernste elektronica worden gesteld.

Echter, de onderzoekers zijn ervan overtuigd dat industriële methoden de komende jaren nieuwe toepassingsgebieden voor deze technologie kunnen openen. Een voorbeeld hiervan is flexibele elektronica, die nodig zijn voor medische sensoren en flexibele displays. In dit geval, 2D-materialen zijn veel geschikter dan het traditioneel gebruikte silicium vanwege hun aanzienlijk grotere mechanische flexibiliteit.