De volgende generatie van feature-gevulde en energiezuinige elektronica vereist computerchips van slechts een paar atomen dik. Voor al zijn positieve eigenschappen, betrouwbaar silicium kan ons niet tot deze ultradunne uitersten brengen.

Nutsvoorzieningen, elektrotechnici van Stanford hebben twee halfgeleiders geïdentificeerd - hafniumdiselenide en zirkoniumdiselenide - die enkele van de gewenste eigenschappen van silicium delen of zelfs overtreffen, te beginnen met het feit dat alle drie de materialen kunnen "roesten".

"Het is een beetje zoals roest, maar een zeer wenselijke roest, " zei Eric Pop, een universitair hoofddocent elektrotechniek, die samen met postdoctoraal wetenschapper Michal Mleczko een artikel schreef dat in het tijdschrift verschijnt wetenschappelijke vooruitgang .

De nieuwe materialen kunnen ook worden gekrompen tot functionele circuits van slechts drie atomen dik en ze hebben minder energie nodig dan siliciumcircuits. Hoewel nog experimenteel, de onderzoekers zeiden dat de materialen een stap zouden kunnen zijn in de richting van de soorten verdunner, energiezuinigere chips die worden geëist door apparaten van de toekomst.

Sterke punten van silicium

Silicium heeft verschillende eigenschappen die ertoe hebben geleid dat het het fundament van de elektronica is geworden, Pop uitgelegd. Een daarvan is dat het gezegend is met een zeer goede "native" isolator, siliciumdioxide of, In gewoon Engels, silicium roest. Het blootstellen van silicium aan zuurstof tijdens de fabricage geeft chipmakers een gemakkelijke manier om hun circuits te isoleren. Andere halfgeleiders "roesten" niet in goede isolatoren wanneer ze worden blootgesteld aan zuurstof, dus ze moeten worden gelaagd met extra isolatoren, een stap die technische uitdagingen introduceert. Beide diseleniden die de Stanford-groep testte, vormden deze ongrijpbare, en toch hoogwaardige isolerende roestlaag bij blootstelling aan zuurstof.

Niet alleen roesten beide ultradunne halfgeleiders, ze doen dat op een manier die nog wenselijker is dan silicium. Ze vormen zogenaamde "high-K" isolatoren, die een lagere stroomwerking mogelijk maken dan mogelijk is met silicium en zijn siliciumoxide-isolator.

Toen de Stanford-onderzoekers de diseleniden begonnen te verkleinen tot atomaire dunheid, ze realiseerden zich dat deze ultradunne halfgeleiders nog een van de geheime voordelen van silicium delen:de energie die nodig is om transistors aan te zetten - een cruciale stap in de computer, genaamd de band gap - is in een precies goed bereik. Te laag en de circuits lekken en worden onbetrouwbaar. Te hoog en de chip kost te veel energie om te werken en wordt inefficiënt. Beide materialen bevonden zich in hetzelfde optimale bereik als silicium.

Dit alles en de diseleniden kunnen ook worden gevormd tot circuits van slechts drie atomen dik, of ongeveer tweederde van een nanometer, iets wat silicium niet kan.

"Ingenieurs zijn er niet in geslaagd siliciumtransistors dunner te maken dan ongeveer vijf nanometer, voordat de materiaaleigenschappen op ongewenste manieren beginnen te veranderen, ' zei pap.

De combinatie van dunnere circuits en wenselijke isolatie met hoge K betekent dat deze ultradunne halfgeleiders kunnen worden gemaakt in transistors die 10 keer kleiner zijn dan alles wat tegenwoordig mogelijk is met silicium.

"Silicium zal niet verdwijnen. Maar voor consumenten zou dit een veel langere levensduur van de batterij en veel complexere functionaliteit kunnen betekenen als deze halfgeleiders kunnen worden geïntegreerd met silicium, ' zei pap.

Nog meer werk te doen

Er ligt veel werk in het verschiet. Eerst, Mleczko en Pop moeten de elektrische contacten tussen transistoren op hun ultradunne diselenidecircuits verfijnen. "Deze verbindingen zijn altijd een uitdaging gebleken voor elke nieuwe halfgeleider, en de moeilijkheid wordt groter naarmate we circuits verkleinen tot de atomaire schaal, ' zei Mleczko.

Ze werken ook aan een betere controle van de geoxideerde isolatoren om ervoor te zorgen dat ze zo dun en stabiel mogelijk blijven. Laatste, maar niet de minste, pas als deze dingen in orde zijn, zullen ze beginnen te integreren met andere materialen en dan opschalen tot werkende wafels, complexe circuits en, eventueel, complete systemen.

"Er is meer onderzoek te doen, maar een nieuwe weg naar dunner, kleinere schakelingen - en energiezuinigere elektronica - binnen handbereik, ' zei pap.