جامعة بارك ، بنسلفانيا – السيليكون هو الملك في تقنية أشباه الموصلات التي تدعم الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر والسيارات الكهربائية وأكثر من ذلك ، ولكن قد ينزلق تاجها وفقًا لفريق بقيادة باحثين في ولاية بنسلفانيا. في العالم أولاً ، استخدموا مواد ثنائية الأبعاد (2D) ، والتي ليست سوى ذرة سميكة وتظل خصائصها على هذا النطاق ، على عكس السيليكون ، لتطوير جهاز كمبيوتر قادر على عمليات بسيطة.
التطور ، نشر اليوم (11 يونيو) في طبيعةوقال الباحثون إن يمثل قفزة كبيرة نحو تحقيق إلكترونيات أرق وأسرع وأكثر كفاءة في الطاقة. لقد أنشأوا كمبيوتر أشباه الموصلات (CMOS) التكميلية-التكنولوجيا في قلب كل جهاز إلكتروني حديث تقريبًا-دون الاعتماد على السيليكون. وبدلاً من ذلك ، استخدموا مادة ثنائية الأبعاد مختلفة لتطوير كلا النوعين من الترانزستورات اللازمة للتحكم في تدفق التيار الكهربائي في أجهزة الكمبيوتر CMOS: ثاني كبريتيد الموليبدينوم للترانزستورات من النوع N و diselenide التنغستن للترانزستورات من نوع P.
وقال Saptarshi Das ، أستاذ Ackley للهندسة وأستاذ العلوم الهندسية والميكانيكا في ولاية بنسلفانيا: “لقد دفعت السيليكون تقدمًا ملحوظًا في الإلكترونيات لعقود من خلال تمكين التصغير المستمر للترانزستورات ذات التأثير الميداني (FETS)”. FETS تتحكم في التدفق الحالي باستخدام مجال كهربائي ، يتم إنتاجه عند تطبيق الجهد. “ومع ذلك ، مع تقلص أجهزة السيليكون ، يبدأ أدائها في التدهور. المواد ثنائية الأبعاد ، على النقيض من ذلك ، تحافظ على خصائصها الإلكترونية الاستثنائية بسمك ذري ، مما يوفر مسارًا واعدًا للأمام.”
أوضح DAS أن تقنية CMOS تتطلب كل من أشباه الموصلات من النوع N و P-type تعمل معًا لتحقيق أداء عالي في استهلاك الطاقة المنخفضة-وهو تحد رئيسي له جهود تجهز للتجاوز السيليكون. وقال داس إنه على الرغم من أن الدراسات السابقة أظهرت دوائر صغيرة تستند إلى مواد ثنائية الأبعاد ، إلا أن التحجيم إلى أجهزة الكمبيوتر الوظيفية المعقدة ظلت بعيدة المنال.
“هذا هو التقدم الرئيسي لعملنا” ، قال داس. “لقد أظهرنا ، لأول مرة ، جهاز كمبيوتر CMOs مصنوع بالكامل من مواد ثنائية الأبعاد ، يجمع بين ثاني كبريتيد الموليبدينوم الكبير وترانزستورات التنغستن.”
استخدم الفريق ترسيب البخار الكيميائي المعدني (MOCVD)-وهي عملية تصنيع تتضمن مكونات تبخير ، وإجبار التفاعل الكيميائي وترسب المنتجات على الركيزة-لتنمية أوراق كبيرة من ثنائي كولوديد الموليبدينوم وتنغستن وتصنيع أكثر من 1000 من كل نوع من الأنواع. من خلال ضبط خطوات تصنيع الجهاز وبعد المعالجة بعناية ، تمكنوا من ضبط الفولتية العتبة لكل من الترانزستورات من النوع N و P ، مما يتيح بناء دوائر منطقية CMOS تعمل بكامل طاقتها.
وقال أول مؤلف Subir Ghosh ، وهو طالب دكتوراه في العلوم الهندسية والميكانيكا تحت إدارات DAS: “يعمل كمبيوتر CMOs ثنائي الأبعاد في الفولتية ذات الإمداد المنخفض مع الحد الأدنى من استهلاك الطاقة ويمكنه القيام بعمليات منطقية بسيطة بترددات تصل إلى 25 كيلو هيرتز”.
أشار غوش إلى أن تردد التشغيل منخفض مقارنةً بدوائر CMOS التقليدية ، ولكن لا يزال بإمكان أجهزة الكمبيوتر الخاصة بهم – المعروفة باسم كمبيوتر مجموعة تعليمات – إجراء عمليات منطقية بسيطة.
وقال غوش: “لقد قمنا أيضًا بتطوير نموذج حسابي ، معايرة باستخدام البيانات التجريبية ودمج الاختلافات بين الأجهزة ، لإسقاط أداء كمبيوتر CMOs ثنائي الأبعاد وقياسه ضد تقنية السيليكون الحديثة”. “على الرغم من أنه لا يزال هناك مجال لمزيد من التحسين ، فإن هذا العمل يمثل علامة فارقة كبيرة في تسخير المواد ثنائية الأبعاد لتعزيز مجال الإلكترونيات.”
وافق DAS ، موضحًا أن هناك حاجة إلى مزيد من العمل لزيادة تطوير نهج كمبيوتر CMOs ثنائي الأبعاد للاستخدام الواسع ، ولكنه يشدد أيضًا على أن الحقل يتحرك بسرعة بالمقارنة مع تطوير تكنولوجيا السيليكون.
وقال داس: “لقد كانت تكنولوجيا السيليكون قيد التطوير منذ حوالي 80 عامًا ، لكن البحث في مواد ثنائية الأبعاد حديثة نسبيًا ، حيث نشأت فقط في عام 2010 فقط”. “نتوقع أن يكون تطوير أجهزة كمبيوتر المواد ثنائية الأبعاد عملية تدريجية أيضًا ، ولكن هذه قفزة إلى الأمام مقارنة بمسار السيليكون.”
الفضل Ghosh و DAS في منصة ابتكار مواد كونسورتيوم ثنائية الأبعاد (2DCC-MIP) في ولاية بنسلفانيا مع توفير المرافق والأدوات اللازمة لإظهار نهجها. تابعة DAS أيضًا إلى معهد أبحاث المواد ، و 2 DCC-MIP وإدارات الهندسة الكهربائية وعلوم المواد والهندسة ، وكلها في ولاية بنسلفانيا. من بين المساهمين الآخرين من وزارة العلوم الهندسية والميكانيكية في ولاية بنسلفانيا طلاب الدراسات العليا Yikai Zheng و Najam U. Sakib و Harikrishnan Ravichandran و Yongwen Sun و Andrew L. Pannone و Muhtasim ul Karim Sadaf و Samriddha Ray ؛ ويانغ يانغ ، أستاذ مساعد. يانغ ينتمي أيضًا إلى معهد أبحاث المواد ووزارة الهندسة النووية في ولاية بنسلفانيا وماري أليس وماري ليندكويست في ولاية بنسلفانيا. شارك جوان ريدوينج ، مديرة 2DCC-MIP وأستاذ متميز في علوم المواد والهندسة والهندسة الكهربائية ، وتشن تشن ، أستاذ أبحاث مساعد ، في تأليف الورقة. ومن بين المساهمين الآخرين موسايب رافق وسهام ساهاي ، المعهد الهندي للتكنولوجيا ؛ و Mrinmoy Goswami ، جامعة Jadavpur.
دعمت مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية ، ومكتب أبحاث الجيش ومكتب البحوث البحرية هذا العمل جزئياً.
المصدر :- Health & Medicine News — ScienceDaily
