Розроблено 2D-матеріал, який може замінити кремній в чипах

Наступне покоління комп’ютерних чипів може замінити кремній на TMD – двомірний матеріал, який містить “дефекти”, що можуть бути використані для підвищення продуктивності. Дослідники використовують силу крихітних дефектів у неймовірно тонкому матеріалі, щоб одного дня створити комп’ютерні чипи, які будуть швидшими та ефективнішими, ніж традиційні кремнієві напівпровідникові платформи.

“Всі наші існуючі електронні пристрої використовують чипи, виготовлені з кремнію, який є тривимірним матеріалом”, – сказав Шоаїб Халід, фізик з Принстонської лабораторії досліджень плазми, у своїй заяві. “Зараз багато компаній інвестують значні кошти в мікросхеми, що складаються з двовимірних матеріалів”.

Цей тип “двовимірного” матеріалу, відомий як дихалькогенід перехідних металів (TMD), може мати товщину всього в кілька атомів. Комп’ютерні чипи, виготовлені з цих ультратонких напівпровідників, можуть дозволити розробку менших і швидших пристроїв, оскільки на меншій площі поверхні розміщується набагато більше обчислювальної потужності.

У дослідженні, опублікованому 24 травня в журналі 2D Materials, команда Халіда з’ясовувала, чи може використання TMD замість кремнію стати розв’язанням проблеми, пов’язаної з тим, що інновації в галузі кремнієвих чипів, можливо, досягли свого піка.

Найтонші TMD мають товщину всього три атоми і розташовані як бутерброд. “Хліб” складається з атомів халькогену – елементів 16 групи періодичної системи Менделєєва, таких як кисень або сірка. Атоми перехідних металів – з 3-12 груп – складають “начинку”. Вчені досліджували, чи зможуть вони використати крихітні, розміром з атом, недосконалості, які називаються дефектами, в трохи товстіших TMD.

Хоча більшість атомів у TMD розташовані впорядковано, рівномірно, іноді атом може бути відсутнім або розміщеним десь не там, де йому належить бути. Попри назву, дефекти не обов’язково є чимось поганим, кажуть вчені в дослідженні. Наприклад, деякі дефекти роблять TMD більш електропровідними.

Щоб скористатися позитивними ефектами дефектів і зменшити будь-які негативні наслідки, вченим потрібно було зрозуміти, як виникають дефекти і як вони впливають на характеристики матеріалу. У своєму дослідженні команда Халіда визначила, які типи дефектів найлегше утворюються в TMD, і дослідила, як ці дефекти впливають на властивості матеріалу.

Спочатку команда досліджувала дефекти, в яких був відсутній один з атомів халькогену. Попереднє дослідження показало, що матеріал TMD, який називається дисульфід молібдену, несподівано випромінює інфрачервоне світло при освітленні. Команда Халіда виявила, що випромінювання інфрачервоного світла було викликане рухом електронів, пов’язаних з простором, де мав би бути відсутній халькоген.

“Наша робота пропонує стратегію для дослідження наявності цих вакансій в об’ємних TMD, – сказав Халід у своїй заяві. – Ми пояснили попередні експериментальні результати, отримані в дисульфіді молібдену, а потім передбачили подібне для інших TMD”.

Далі дослідники вивчили тип дефекту, коли зайвий атом водню втиснутий між двома сусідніми атомами перехідних металів. Водень є поширеною домішкою, яка виникає у TMD під час їх формування. Додаткові атоми водню надають деяким – але не всім – матеріалам TMD невеликий негативний заряд, перетворюючи їх на напівпровідники “n-типу”.

Комп’ютерні мікросхеми покладаються на комбінації напівпровідників n-типу і позитивно заряджених напівпровідників p-типу. Хоча вчені вже знали, що деякі матеріали TMD можуть діяти як напівпровідники n-типу, нове дослідження пояснює, звідки береться додатковий негативний заряд.

Розуміння того, як ці дефекти впливають на продуктивність TMD, може допомогти дослідникам у створенні комп’ютерних чипів наступного покоління, кажуть вчені в дослідженні. Хоча мікросхеми TМD ще не готові потрапити на полиці магазинів, компанії досліджують ультратонкі мікросхеми TМD для вирішення енергоємних операцій штучного інтелекту.

Читайте також:

• Вчені розробили чип, який може дати вашому смартфону можливість бачити предмети наскрізь
• Китайські оператори відмовляються від використання іноземних чипів