La prossima generazione di elettronica ricca di funzionalità ed efficiente dal punto di vista energetico richiederà chip per computer dello spessore di pochi atomi. Per tutti i suoi attributi positivi, il fidato silicio non può portarci a questi estremi ultrasottili.
Ora, gli ingegneri elettrici di Stanford hanno identificato due semiconduttori - diseleniuro di afnio e diseleniuro di zirconio - che condividono o addirittura superano alcune delle caratteristiche desiderabili del silicio, a cominciare dal fatto che tutti e tre i materiali possono "arrugginire".
"È un po' come la ruggine, ma una ruggine molto desiderabile, "ha detto Eric Pop, professore associato di ingegneria elettrica, che è stato coautore con lo studioso post-dottorato Michal Mleczko di un articolo che appare sulla rivista Progressi scientifici .
I nuovi materiali possono anche essere ridotti a circuiti funzionali di soli tre atomi di spessore e richiedono meno energia dei circuiti in silicio. Sebbene ancora sperimentale, i ricercatori hanno affermato che i materiali potrebbero essere un passo avanti verso i tipi di diluente, chip più efficienti dal punto di vista energetico richiesti dai dispositivi del futuro.
I punti di forza del silicio
Il silicio ha diverse qualità che lo hanno portato a diventare il fondamento dell'elettronica, Pop ha spiegato. Uno è che è benedetto con un ottimo isolante "nativo", biossido di silicio o, in un inglese semplice, ruggine di silicio. L'esposizione del silicio all'ossigeno durante la produzione offre ai produttori di chip un modo semplice per isolare i loro circuiti. Altri semiconduttori non "arrugginiscono" in buoni isolanti se esposti all'ossigeno, quindi devono essere stratificati con isolanti aggiuntivi, un passo che introduce sfide ingegneristiche. Entrambi i diselenidi testati dal gruppo di Stanford hanno formato questo elusivo, ancora strato di ruggine isolante di alta qualità quando esposto all'ossigeno.
Non solo entrambi i semiconduttori ultrasottili arrugginiscono, lo fanno in un modo ancora più desiderabile del silicio. Formano quelli che vengono chiamati isolanti "high-K", che consentono un funzionamento a potenza inferiore rispetto a quanto è possibile con il silicio e il suo isolante in ossido di silicio.
Quando i ricercatori di Stanford hanno iniziato a ridurre i diselenidi alla sottigliezza atomica, si sono resi conto che questi semiconduttori ultrasottili condividono un altro dei vantaggi segreti del silicio:l'energia necessaria per accendere i transistor - un passaggio fondamentale nell'informatica, chiamato band gap - è in un intervallo giusto. Troppo basso e i circuiti perdono e diventano inaffidabili. Troppo alto e il chip richiede troppa energia per funzionare e diventa inefficiente. Entrambi i materiali erano nella stessa gamma ottimale del silicio.
Tutto questo e i diselenidi possono anche essere modellati in circuiti di soli tre atomi di spessore, o circa due terzi di un nanometro, qualcosa che il silicio non può fare.
"Gli ingegneri non sono stati in grado di realizzare transistor al silicio più sottili di circa cinque nanometri, prima che le proprietà del materiale inizino a cambiare in modi indesiderabili, " ha detto il papà.
La combinazione di circuiti più sottili e isolamento desiderabile ad alto K significa che questi semiconduttori ultrasottili potrebbero essere trasformati in transistor 10 volte più piccoli di qualsiasi cosa possibile con il silicio oggi.
"Il silicio non andrà via. Ma per i consumatori questo potrebbe significare una durata della batteria molto più lunga e funzionalità molto più complesse se questi semiconduttori possono essere integrati con il silicio, " ha detto il papà.
Più lavoro da fare
C'è molto lavoro da fare. Primo, Mleczko e Pop devono perfezionare i contatti elettrici tra i transistor sui loro circuiti diselenide ultrasottili. "Queste connessioni si sono sempre rivelate una sfida per qualsiasi nuovo semiconduttore, e la difficoltà diventa maggiore man mano che riduciamo i circuiti alla scala atomica, " ha detto Mleczko.
Stanno anche lavorando per controllare meglio gli isolanti ossidati per garantire che rimangano il più sottili e stabili possibile. Scorso, ma non meno importante, solo quando queste cose saranno in ordine cominceranno ad integrarsi con altri materiali per poi passare a wafer funzionanti, circuiti complessi e, infine, sistemi completi.
"C'è più ricerca da fare, ma un nuovo percorso verso il sottile, circuiti più piccoli e un'elettronica più efficiente dal punto di vista energetico sono a portata di mano, " ha detto il papà.
