Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, τα μικρότερα και ισχυρότερα ηλεκτρονικά εξαρτήματα έχουν οδηγήσει σε σημαντικές προόδους στην τεχνολογία. Τώρα οι επιστήμονες αναζητούν την επόμενη σημαντική ανακάλυψη στον σχεδιασμό τσιπ υπολογιστών και πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι τα δισδιάστατα υλικά μπορούν να παίξουν βασικό ρόλο. Αυτά τα εξαιρετικά λεπτά υλικά, κατασκευασμένα από μόνο ένα ή λίγα ατομικά στρώματα, έχουν θεωρηθεί ως πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι για την κατασκευή ακόμη μικρότερων ηλεκτρονικών συσκευών.
Ωστόσο, νέα έρευνα από το TU Vienna δείχνει ότι πολλά από αυτά τα εξαρτήματα ενδέχεται να μην λειτουργούν όπως αναμένεται στην τεχνολογία τσιπ του πραγματικού κόσμου. Το πρόβλημα δεν είναι μόνο το ίδιο το υλικό. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι όταν τα δισδιάστατα υλικά συνδυάζονται με τα μονωτικά στρώματα που χρειάζονται για ηλεκτρονικές συσκευές, δημιουργείται ένα αναπόφευκτο χάσμα ατομικής κλίμακας μεταξύ τους. Αυτός ο μικρός διαχωρισμός μπορεί να μειώσει σημαντικά την απόδοση και να δημιουργήσει ένα θεμελιώδες εμπόδιο για περαιτέρω σμίκρυνση.
Τα ευρήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τη βιομηχανία ημιαγωγών να αποφύγει να ξοδέψει δισεκατομμύρια δολάρια σε μεθόδους που δεν μπορούν να ξεπεράσουν αυτούς τους φυσικούς περιορισμούς.
Γιατί οι διεπαφές είναι σημαντικές στα ηλεκτρονικά 2D
«Για πολλά χρόνια, οι ερευνητές δικαίως γοητεύονται από τις αξιοσημείωτες ηλεκτρονικές ιδιότητες των νέων υλικών όπως το γραφένιο ή το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου», λέει ο καθηγητής Mahdi Purfath, ο οποίος διεξήγαγε την έρευνα μαζί με τον καθηγητή Tibor Grasser στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής TU Wien. “Αυτό που συχνά παραβλέπεται, ωστόσο, είναι ότι ένα δισδιάστατο υλικό από μόνο του δεν δημιουργεί μια ηλεκτρονική συσκευή. Χρειαζόμαστε επίσης ένα μονωτικό στρώμα — συνήθως ένα οξείδιο. Και εκεί είναι που τα πράγματα γίνονται πιο περίπλοκα από την άποψη της επιστήμης των υλικών.”
Τα σύγχρονα τρανζίστορ λειτουργούν με την εναλλαγή ενός ημιαγωγού μεταξύ αγώγιμων και μη αγώγιμων καταστάσεων. Σε μελλοντικά τσιπ, αυτός ο ημιαγωγός θα μπορούσε να είναι ένα εξαιρετικά λεπτό υλικό 2D. Η διαδικασία ελέγχεται από ένα ηλεκτρόδιο πύλης, το οποίο πρέπει να διαχωριστεί από το ενεργό υλικό με ένα μονωτικό στρώμα.
Για να διατηρούνται οι συσκευές όσο το δυνατόν μικρότερες και αποτελεσματικές, το μονωτικό στρώμα πρέπει να είναι εξαιρετικά λεπτό. Ωστόσο, η ομάδα του TU Wien διαπίστωσε ότι αυτό θέτει ένα σημαντικό πρόβλημα σε ατομική κλίμακα.
Τα μικρά κενά δημιουργούν μεγάλο πρόβλημα
«Σε πολλούς συνδυασμούς δισδιάστατων υλικών και μονωτικών στρωμάτων, η σύνδεση μεταξύ τους είναι σχετικά ασθενής», εξηγεί ο Grasser. “Συντηρούνται μεταξύ τους μόνο από τις λεγόμενες δυνάμεις van der Waals, οι οποίες παρέχουν μόνο μια ασθενή έλξη μεταξύ του ημιαγωγού και του μονωτή. Ως αποτέλεσμα, τα δύο στρώματα δεν έρχονται σε στενή επαφή — υπάρχει πάντα ένα κενό μεταξύ τους.”
Αυτό το κενό είναι μόλις 0,14 νανόμετρα, καθιστώντας το πιο λεπτό από ένα άτομο θείου. Ωστόσο, έχει δραματική επίδραση στην ηλεκτρονική συμπεριφορά. Για προοπτική, ένας ιός SARS-CoV-2 είναι περίπου 700 φορές μεγαλύτερος.
“Αυτό το κενό αποδυναμώνει τη χωρητική σύζευξη μεταξύ των στρωμάτων. Ανεξάρτητα από το πόσο καλές είναι οι υποκείμενες ιδιότητες του υλικού, το κενό μπορεί να γίνει ο περιοριστικός παράγοντας. Όσο υπάρχει, επιβάλλει ένα θεμελιώδες όριο στο πόσο μπορούν να μικροποιηθούν αυτές οι συσκευές.”
Σύμφωνα με τους ερευνητές, πολλές μελέτες έχουν επικεντρωθεί πάρα πολύ στις εντυπωσιακές ιδιότητες των 2D υλικών, ενώ δίνουν λιγότερη προσοχή στις διεπαφές που σχηματίζονται μέσα σε ολόκληρη τη συσκευή. Η δουλειά τους δείχνει ότι αυτές οι διεπαφές μπορεί τελικά να καθορίσουν εάν οι μελλοντικές τεχνολογίες τσιπ θα πετύχουν ή θα αποτύχουν.
Το “περιεχόμενο φερμουάρ” μπορεί να προσφέρει μια λύση
«Εάν η βιομηχανία ημιαγωγών θέλει να πετύχει με δισδιάστατα υλικά, το ενεργό στρώμα και το μονωτικό στρώμα πρέπει να σχεδιαστούν μαζί από την αρχή», τονίζει ο Mahdi Purfath.
Μια πιθανή απάντηση είναι η χρήση των λεγόμενων «υλικών φερμουάρ». Σε αυτά τα συστήματα, ο ημιαγωγός και το μονωτικό στρώμα συνδέονται πολύ πιο σφιχτά μεταξύ τους, παρά χαλαρά, από τις δυνάμεις van der Waals. Αυτή η στενή σύνδεση εξαλείφει τα προβληματικά κενά.
«Η δουλειά μας είναι καλά νέα για τη βιομηχανία ημιαγωγών», λέει ο Tibor Grasser. “Μπορούμε να προβλέψουμε ποια υλικά είναι κατάλληλα για μελλοντικά στάδια σμίκρυνσης – και ποια όχι. Αλλά αν κάποιος επικεντρωθεί μόνο σε δισδιάστατα υλικά χωρίς να λάβει υπόψη του τα αναπόφευκτα μονωτικά στρώματα από την αρχή, κινδυνεύει να επενδύσει δισεκατομμύρια σε μια μέθοδο που μπορεί να μην πετύχει για θεμελιώδεις φυσικούς λόγους.”
