Kan svart fosfor være fremtiden for mikrobrikker?

Annonse

Graphene har lenge blitt sett på som fremtiden til datamaskinprosessorer og elektronikk. I løpet av de siste par årene har det imidlertid dukket opp noen bemerkelsesverdige krystallmaterialer med to dimensjoner. En ny utfordrer er svart fosfor. Denne uken har et koreansk forskerteam funnet ut hvordan det skal gjøres skape et avstemningsbart bandgap i materialet, slik at det kan brukes som en halvleder, og (potensielt) en overlegen erstatning for silisium.

Hva betyr dette for halvledere, og fremtiden til grafen Den siste datateknologien du må se for å troTa en titt på noen av de nyeste datateknologiene som er ment å transformere elektronikken og PC-verdenen de neste årene. Les mer ? La oss finne det ut!

Svart fosfor

I likhet med grafen kan svart fosfor skilles opp i et atomtykke ark. Disse arket er kjent som fosforen, men i motsetning til grafen fungerer disse lagene som en utmerket halvleder som lett kan slås av og på, forhåpentligvis redusere strømbehov for en ny generasjon 8 Utrolige nye måter å generere strøm på

Alternativ energi er økningen, men du vet kanskje ikke om alle alternativene. Her er noen av de sprøeste nye måtene å generere kraft på. Les mer av ultraledende transistorer. Graphene er ekstremt ledende, men mangler et naturlig båndgap, og det er her svart fosfor kan trå til.

Produksjon

Svart fosfor er en termodynamisk stabil allotrope av elementet, fosfor. Stabilt ved romtemperatur, svart fosfor er ikke et ‘naturlig forekommende’ stoff og oppnås bare ved å varme opp hvitt fosfor under ekstremt høyt trykk, rundt 12.000 atmosfærer. De resulterende svarte fosforkrystaller har puckerte honningkaksjelag med mellomlags avstand på 0,5 nanometer Du vil ikke tro det: DARPA Fremtidsforskning i avanserte datamaskinerDARPA er en av de mest fascinerende og hemmelighetsfulle delene av den amerikanske regjeringen. Følgende er noen av DARPAs mest avanserte prosjekter som lover å transformere teknologiens verden. Les mer , en annen lignende funksjon som grafen.

Når det er laget svart fosfor er det vanskelig å produsere i store mengder med den angitte bredden. Den tradisjonelle metoden, også brukt på andre todimensjonale materialer, er den for mekanisk peeling. I denne møysommelige sakte prosess knuser forskere en mengde svart fosfor til en komprimert pulver, bruk deretter selvklebende tape for å sakte skrelle tilbake lagene til de lager en film bare noen få lag tykk. Det er begrenset og begrenser både til produksjon og forskning.

Å innse hvor restriktiv denne metoden er, Mark C. Hersam, en kjemiker ved Northwestern University, utviklet en ny teknikk ved bruk av løsningskjemi for å fremskynde produksjonen. De plasserer en krystall av svart fosfor og et løsningsmiddel i bunnen av et ultralydrør, som bruker en raskt vibrerende metallspiss for å agitere væsken.

Den resulterende soniske virkningen, kombinert med løsningsmidlet, skiller den svarte fosfor i de nødvendige nanometer tykke ark, suspendert i væsken. Forskere kan deretter spin-belegge dette ‘blekket’ på overflater, og skape en tilfeldig fordeling av tynne svarte fosforflak.

Selv om ultralydteknikken gir et litt større utbytte og er en raskere prosess, er den tilfeldige fordelingen noe problematisk. For å lage virkelig effektive transistorer ved bruk av svart fosfor, må forskere og ingeniører kunne spinnbelegge overflatene med mye større presisjon. Dette er det neste målet for forskere.

Band Gap

En stor fordel med svart fosforappell er det naturlige båndgapet. Båndgapet, eller energigapet, er det som skiller ledende materialer fra halvledere. Det fungerer slik:

• Graphene er en utmerket leder, og det er det som gjør det attraktivt for datamaskinprosessorer. Lite motstand betyr lite varme. Dessverre vet vi ennå ikke hvordan vi kan endre det til en ikke-ledende tilstand. Grafene transistorer kan ikke slå av. Selv om det kan være måter å løse dette problemet på, er det ingen som har knekt dem ennå.
• Svart fosfor er også en utmerket leder, men den har også et energigap, noe som betyr at mengden energi som passerer gjennom materialet kan skiftes mellom ledende og isolerende. Ved å dopere svart fosfor kan du enkelt lage tradisjonelle transistorer. Du kan også stille inn den for å produsere virkelig spesifikk oppførsel, slik at du får eksotiske elektroniske kretsløp.

Det er dette omfattende bandgapet som fylles materialforskere Hvordan 3D-utskrift mennesker kan være mulig en dagHvordan fungerer bioavtrykk? Hva kan skrives ut? Og vil noen gang kunne trykke et fullt menneske? Les mer med spenning. Dette kombinert med svart fosfor 'høy fotofølsomhet kunne se halvlederen som ble brukt i alt fra kjemisk deteksjon til optiske kretser.

Optisk kretsløp

Svart fosfor blir også referert til som en "direkte bånd" halvleder. Dette er en sjelden egenskap, noe som betyr at materialet effektivt og effektivt kan konvertere elektriske signaler tilbake til lys, noe som gjør det til en førstekandidat for optisk kommunikasjon på chip. University of Minnesota Institutt for elektroteknikk og dataingeniør, Nathan Youngblood, hvis artikkel om svart fosfor omtalt i Naturfotonikk mener:

“Det er virkelig spennende å tenke på et enkelt materiale som kan brukes til å sende og motta data optisk og ikke er begrenset til et spesifikt underlag eller bølgelengde. Dette kan ha et enormt potensial for høyhastighetskommunikasjon mellom CPU-kjerner, som for øyeblikket er en flaskehals i databehandlingsbransjen akkurat nå. "

En silisiumskifte?

Mens Silicon Valley trenger å gi nytt navn, kan svart fosfor være materialet for å ta prosessordesign til nye høyder. Ideelt sett vil Black Phosphorus senke driftsspenningen til transistorer belagt med det nevnte ‘blekket.’ Dette vil senke varmen produsert under bruk, slik at prosessorer kan klokkes raskere uten overoppheting, en prosess som stort sett har stoppet for å legge til mer kjerner. Dette vil øke chipeffektiviteten, og - viktigst av alt - den totale prosessorkraften.

Mores lov kan godt fortsette 7nm IBM Chip dobler ytelse, beviser Moore lov gjennom 2018En rekke grunnleggende fysiske grenser konvergerer for å stoppe fremdriften for tradisjonelle silisiumdatamaskiner. Et radikalt nytt gjennombrudd kan bidra til å strekke grensene litt mer. Les mer som planlagt!

Det er ikke bare transistorer som kan dra nytte av svart fosfor. Andre bruksområder innen elektronikk inkluderer: solcellepaneler, solceller Effektiv. Billig. Rått. Her er hvorfor nye spray-on solceller materieKostnaden for solenergi er satt til å falle stupbratt etter at et team av forskere som jobber på University of Sheffield i Storbritannia kunngjorde utvikling av solceller ved bruk av spray-on prosess. Les mer , batterier Batteriteknologier som kommer til å forandre verdenBatteriteknologi har vokst saktere enn andre teknologier, og er nå den lange teltstangen i et svimlende antall bransjer. Hva blir fremtiden for batteriteknologi? Les mer , brytere, sensorer og mer. Men som med de fleste undringsmateriell, jobbe med, forske og implementere atomnivåmaterialer Kvantedatamaskiner: slutten av kryptografi?Kvanteberegning som en idé har eksistert en stund - den teoretiske muligheten ble opprinnelig introdusert i 1982. I løpet av de siste årene har feltet kommet nærmere praktisk. Les mer vil ta tid, så ikke forvent en optoelektronisk datamaskin Hvordan fungerer optiske og kvante datamaskiner?Exascale Age kommer. Vet du hvordan optiske og kvante datamaskiner fungerer, og vil disse nye teknologiene bli vår fremtid? Les mer spiller Minecraft The (Latecomer) Beginner's Guide To MinecraftHvis du er sent ute til festen, ikke bekymre deg - denne omfattende nybegynnerguiden har du dekket. Les mer når som helst snart.

Bør vi bli begeistret?

Ja, selvfølgelig. Vi snakker bokstavelig talt om den potensielle fremtiden for både databehandling og optisk kommunikasjon. Vi bør imidlertid ikke glede oss og hoppe ombord i et svart fosfor-hypertog, for det vil være en lang gammel reise uten noen definitiv ende i sikte. Fantastiske materialer som Black Phosphorus, som Graphene, som Molybdenum Disulphide er klare til å endre fremtiden. Bare ikke så raskt som vi kanskje vil.

Er du spent på av futuristiske materialer? Eller er det bare et knippe hype? La oss få vite hva du synes!

Bildetillegg: svart pulver av Fablok via Shutterstock, Fosfor Allotropes, Svart fosforample, Fosforstruktur, DWave Chip alt via Wikimedia Commons, Mikrochip via Flickr