Графен давно рассматривается как будущее компьютерных процессоров и электроники. Однако за последние пару лет появилось несколько замечательных двумерных кристаллических материалов. Один новый претендент — черный фосфор. На этой неделе корейская исследовательская группа выяснила, как создать перестраиваемую запрещенную зону в материале, позволяя использовать его в качестве полупроводника и (потенциально) превосходную замену кремния.
Что это означает для полупроводников и будущего графена ? Давайте разберемся!
Черный фосфор
Как и графен, черный фосфор можно разделить на листы толщиной в один атом. Эти листы известны как фосфорен, но в отличие от графена, эти слои выступают в качестве превосходного полупроводника, который можно легко включать и выключать, что, как мы надеемся, существенно снижает требования к мощности для нового поколения о сверхпроводящих транзисторах. Графен чрезвычайно проводящий, но не имеет естественной ширины запрещенной зоны, и именно здесь черный фосфор может вступить.
производство
Черный фосфор представляет собой термодинамически устойчивый аллотроп элемента, фосфор. Стабильный при комнатной температуре, черный фосфор не является «природным» веществом и получается только при нагревании белого фосфора под очень высоким давлением, около 12 000 атмосфер. Получающиеся черные кристаллы фосфора имеют рельефные сотовые слои с межслойным расстоянием 0,5 нанометра. одна похожая функция для графена.
Созданный черный фосфор трудно производить в больших количествах при указанной ширине. Традиционный метод, также применяемый к другим двумерным материалам, заключается в механическом отшелушивании. В этом кропотливо медленном процессе исследователи измельчают некоторое количество черного фосфора в сжатый порошок, а затем используют клейкую ленту, чтобы медленно отслоить слои, пока не получится пленка толщиной всего несколько слоев. Это ограничено и ограничивает как производство, так и исследования.
Понимая, насколько ограничительным является этот метод, Марк С. Херсам, химик из Северо-Западного университета, разработал новую технику, использующую химию раствора для ускорения производства. Они помещают кристалл черного фосфора и растворитель на дно ультразвуковой трубки, которая использует быстро вибрирующий металлический наконечник для перемешивания жидкости.
Результирующее звуковое воздействие в сочетании с растворителем разделяет черный фосфор на листы требуемой нанометровой толщины, взвешенные внутри жидкости. Исследователи могут затем нанести эти «чернила» на поверхности, создавая случайное распределение тонких черных фосфорных хлопьев.
Хотя метод ультразвуковой обработки дает немного больший выход и является более быстрым процессом, случайное распределение несколько проблематично. Чтобы создать действительно эффективные транзисторы с использованием черного фосфора, исследователи и инженеры должны уметь наносить покрытия с гораздо большей точностью. Это следующая цель для исследователей.
Band Gap
Основным преимуществом привлекательности черного фосфора является его естественная ширина запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны — это то, что отделяет проводящие материалы от полупроводников. Это работает так:
- Графен является отличным проводником, что делает его привлекательным для компьютерных процессоров. Меньшее сопротивление означает мало тепла. К сожалению, мы пока не знаем, как перевести его в непроводящее состояние. Графеновые транзисторы не могут отключиться. Хотя могут быть способы решения этой проблемы, никто еще не взломал их.
- Черный фосфор также является отличным проводником, но он также имеет запрещенную зону, что означает, что количество энергии, проходящей через материал, можно переключать между проводящей и изоляционной. Легируя черный фосфор, вы можете легко создавать традиционные транзисторы. Вы также можете настроить его на создание действительно специфического поведения, учитывающего экзотические электронные схемы.
Именно этот широкий диапазон частот заполняет материаловедов. с волнением. Это, в сочетании с высокой светочувствительностью черного фосфора, позволило увидеть полупроводник, используемый во всем, от химического обнаружения до оптических схем.
Оптическая схема
Черный фосфор также называют полупроводником с прямой полосой. Это редкое свойство, означающее, что материал может эффективно и рационально преобразовывать электрические сигналы обратно в свет, что делает его главным кандидатом для оптической связи на кристалле. Аспирант кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Миннесоты Натан Янгблад, чья статья о черном фосфоре, представленная в журнале Nature Photonics, считает:
«Действительно интересно думать об одном материале, который можно использовать для оптической отправки и получения данных, и он не ограничен конкретной подложкой или длиной волны. Это может иметь огромный потенциал для высокоскоростной связи между ядрами процессора, что в настоящее время является узким местом в компьютерной индустрии ».
Замена кремния?
В то время как Силиконовая долина должна была быть переименована, черный фосфор мог бы стать материалом для поднятия дизайна процессора на новую высоту. В идеале Black Phosphorus снижает рабочее напряжение транзисторов, покрытых вышеупомянутыми «чернилами». Это снизит тепло, выделяемое во время использования, позволяя процессорам работать быстрее, не перегреваясь, процесс, который в значительной степени остановился в пользу добавления большего количества ядер. Это повысит эффективность микросхемы и, что наиболее важно, общую вычислительную мощность.
Закон Мура вполне может продолжить 7- как и планировалось!
Не только транзисторы могут извлечь выгоду из черного фосфора. Другие области применения электроники включают: солнечные батареи, солнечные батареи , аккумуляторы , переключатели, датчики и многое другое. Но как обстоит дело с большинством удивительных материалов, работой с, исследованием и внедрением материалов на атомном уровне. займёт время, поэтому не ждите оптоэлектронного компьютера. ближайшее время.
Должны ли мы быть взволнованы?
Да, конечно. Мы буквально говорим о потенциальном будущем как компьютерных, так и оптических коммуникаций. Мы не должны, однако, радоваться и прыгать на борт шумихи с Черным Фосфором, потому что это будет долгое старое путешествие без видимого конца. Удивительные материалы, такие как черный фосфор, такие как графен, такие как дисульфид молибдена, могут изменить будущее. Просто не так быстро, как хотелось бы.
Вы взволнованы футуристическими материалами? Или все это просто шумиха? Сообщите нам свое мнение!
Авторы изображения: черный порошок от Fablok через Shutterstock, аллотропы фосфора, ампула черного фосфора , структура фосфора , DWave Chip все через Wikimedia Commons, микрочип через Flickr