Kunne sort fosfor være det næste silicium?

Mens forskere fortsætter med at jage efter et materiale, der vil gøre det muligt at pakke flere transistorer på en chip, ny forskning fra McGill University og Université de Montréal tilføjer beviser for, at sort fosfor kunne dukke op som en stærk kandidat.

I en undersøgelse offentliggjort i dag i Naturkommunikation , forskerne rapporterer, at når elektroner bevæger sig i en fosfortransistor, de gør det kun i to dimensioner. Fundet tyder på, at sort fosfor kan hjælpe ingeniører med at overvinde en af ​​de store udfordringer for fremtidens elektronik:at designe energieffektive transistorer.

"Transistorer arbejder mere effektivt, når de er tynde, med elektroner, der kun bevæger sig i to dimensioner, " siger Thomas Szkopek, en lektor i McGill's Department of Electrical and Computer Engineering og seniorforfatter af det nye studie. "Intet bliver tyndere end et enkelt lag atomer."

I 2004 fysikere ved University of Manchester i Storbritannien isolerede og udforskede først de bemærkelsesværdige egenskaber af grafen - et et-atom-tykt lag af kulstof. Siden da har videnskabsmænd hastet til for at undersøge en række andre todimensionelle materialer. En af dem er sort fosfor, en form for fosfor, der ligner grafit og let kan adskilles i enkelte atomlag, kendt som phosphoren.

Fosforen har vakt stigende interesse, fordi det overvinder mange af udfordringerne ved at bruge grafen i elektronik. I modsætning til grafen, der fungerer som et metal, sort fosfor er en naturlig halvleder:den kan let tændes og slukkes.

"For at sænke driftsspændingen af ​​transistorer, og derved reducere den varme, de genererer, vi skal komme tættere og tættere på at designe transistoren på atomniveau, " Szkopek siger. "Fremtidens værktøjskasse for transistordesignere vil kræve en række atomare lagmaterialer:en ideel halvleder, et ideelt metal, og et ideelt dielektrikum. Alle tre komponenter skal optimeres til en veldesignet transistor. Sort fosfor udfylder rollen som halvledende materiale."

Arbejdet er et resultat af et tværfagligt samarbejde mellem Szkopeks forskningsgruppe for nanoelektronik, McGill Physics Prof. Guillaume Gervais' nanovidenskabelige laboratorium, og nanostrukturforskningsgruppen af ​​prof. Richard Martel i Université de Montréals afdeling for kemi.

For at undersøge, hvordan elektronerne bevæger sig i en fosfortransistor, forskerne observerede dem under påvirkning af et magnetfelt i eksperimenter udført på National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, FL, det største og højest drevne magnetlaboratorium i verden. Denne forskning "giver vigtig indsigt i den grundlæggende fysik, der dikterer opførselen af ​​sort fosfor, " siger Tim Murphy, DC Field Facility Director på Florida-faciliteten.

"Det, der er overraskende i disse resultater, er, at elektronerne er i stand til at blive trukket ind i et ladningsark, som er todimensionelt, selvom de optager et volumen, der er flere atomlag i tykkelse, "Szkopek siger. Det fund er vigtigt, fordi det potentielt kan lette fremstillingen af ​​materialet - selvom på dette tidspunkt "ingen ved, hvordan man fremstiller dette materiale i stor skala."

"Der er en stor voksende interesse rundt om i verden for sort fosfor, " siger Szkopek. "Vi er stadig langt fra at se atomlagstransistorer i et kommercielt produkt, men vi er nu rykket et skridt nærmere."