Ingeniører skaber prototype -chip, der kun er tre atomer tykke

I mere end 50 år har siliciumchipmakere har udtænkt opfindsomme måder at tænde og slukke elektricitet på, generere de digitale og nuller, der koder for ord, billeder, film og andre former for data.

Men som forskere tænker på elektronik i de næste 50 år, de er begyndt at se ud over silicium til nye typer materialer, der forekommer i enkeltlag, kun tre atomer tykke - langt tyndere end moderne siliciumchips - men alligevel er i stand til at styre elektricitet mere effektivt for at skabe de digitale og nuller.

Nu har et team ledet af Stanford elektroteknik lektor Eric Pop demonstreret, hvordan det kan være muligt at masseproducere sådanne atomtynde materialer og elektronik. Hvorfor ville dette være nyttigt? Fordi sådanne tynde materialer også ville være gennemsigtige og fleksible, på måder, der ville muliggøre elektroniske enheder, der ikke ville være mulige at fremstille med silicium.

"Hvad hvis dit vindue også var et fjernsyn, eller kunne du have et head-up display på forruden på din bil? "spurgte Kirby Smithe, en kandidatstuderende på Pops team, foreslår elektroniske applikationer, som de nye materialer muligvis muliggør.

Smithe, Pop og medforfattere Chris English og Saurabh Suryavanshi, begge kandidatstuderende i Pops laboratorium, har beskrevet deres arbejde i tidsskriftet 2D Materials, som er dedikeret til forskning i atomtyndt, todimensionale anordninger.

Teori om virkeligheden

Teamets mål var at udvikle en fremstillingsproces til at omdanne enkeltlags chips til praktiske realiteter. Det første atom -tynde materiale blev målt i 2004, da forskere observerede, at grafen - et materiale relateret til "blyet" i blyanter - kunne isoleres i lag tykkelsen af ​​et enkelt carbonatom. Forskerne, der fandt dette fund, delte 2010 Nobelprisen i fysik.

Men den proces, der blev brugt til at gøre denne opdagelse-forskerne løftede lag af grafen fra en sten ved hjælp af klæbende tape-var ikke til nogen nytte ved at gøre ultratynde krystaller til næste generations elektronik.

I kølvandet på grafenopdagelsen, ingeniører gik i gang med at finde lignende materialer og, vigtigere, praktiske måder at lave atom tynde omskiftere til kredsløb.

Det er spørgsmålet om fremstillbarhed, hvor Stanford -teamets medlemmer gjorde et stort fremskridt. De startede med et enkelt lag af materiale kaldet molybdendisulfid. Navnet beskriver dens sandwichlignende struktur:et ark molybdænatomer mellem to lag svovl. Tidligere forskning havde vist, at molybdendisulfid gjorde et godt skift, styring af elektricitet for at skabe digitale ener og nuller.

Opskalere

Spørgsmålet var, om teamet kunne fremstille en molybdendisulfidkrystal, der var stor nok til at danne en chip. Det kræver at bygge en krystal nogenlunde på størrelse med dit miniaturebillede. Dette lyder måske ikke som en stor ting, før du overvejer det nødvendige krystalformat:en chip, der kun er tre atomer tyk, men størrelsen på dit miniaturebillede er som et enkelt ark papir, der er stort nok til at dække hele Stanford -campus.

Stanford -teamet fremstillede dette ark ved at deponere tre lag atomer i en krystallinsk struktur 25 millioner gange bredere end det er tykt. Smithe opnåede dette ved at foretage geniale forbedringer af en fremstillingsproces kaldet kemisk dampaflejring. Denne fremgangsmåde forbrænder i det væsentlige små mængder svovl og molybdæn, indtil atomerne fordamper som sod. Atomerne aflejres derefter som et ultratyndt krystallinsk lag på et "håndtag" -substrat, som kan være glas eller endda silicium.

Imidlertid, forskernes job blev ikke udført. De var stadig nødt til at mønstre materialet til elektriske kontakter og for at forstå deres funktion. For det, de benyttede sig af et nylig fremskridt ledet af engelsk, der opdagede, at ekstremt rene aflejringsbetingelser er afgørende for at danne gode metalliske kontakter med molybdendisulfidlagene. Rigdommen af ​​nye eksperimentelle data, der nu er tilgængelige i laboratoriet, har også gjort det muligt for Suryavanshi at udarbejde nøjagtige computermodeller af de nye materialer og begynde at forudsige deres kollektive adfærd som kredsløbskomponenter.

"Vi har meget arbejde foran os til at skalere denne proces til kredsløb med større skalaer og bedre ydeevne, "Sagde Pop." Men vi har nu alle byggestenene. "

Ætsning af kontakterne

Under chipfremstilling, kredsløb skal ætses ind i materialet. For at demonstrere, hvordan en storstilet, enkeltlags chipfremstillingsproces kan udføre dette trin i fremtiden, holdet brugte standard ætsningsværktøjer til at skære Stanford -logoet ind i deres prototype. Og så, at have det sjovt med et projekt, de gennemførte under en national valgkamp, de huggede nanoskala -portrætter af de to store partikandidater ind i deres atom tynde lærred.

Pop sagde, at Stanford -holdet blev inspireret til at gøre dette af forskere, der gjorde noget lignende i valgcyklen 2008, da de skabte "nanobama"-små billeder af daværende præsidentvalgte Barack Obama ved hjælp af kulstofnanorør. Nanorør er en anden potentiel næste generations chipteknologi; forskerne på dette projekt brugte nanobama som en måde at henlede opmærksomheden på teknologers evne til at fremstille objekter, der er næsten ufatteligt små.

"Mange mennesker er interesserede i elektronik, fordi teknologien er nyttig, "Pop sagde." Men vi håber, at nanotrump og nanoclinton kan udvide interessen for forskning. Måske vil det at se portrætter indgraveret i et tre-atom-tykt lærred inspirere fremtidige forskere på måder, vi ikke engang kan forestille os endnu. "