Zou zwarte fosfor de toekomst van microchips kunnen zijn?

Advertentie

Grafeen wordt al lang gezien als de toekomst van computerprocessors en elektronica. De afgelopen jaren zijn er echter enkele opmerkelijke tweedimensionale kristalmaterialen ontstaan. Een nieuwe uitdager is zwarte fosfor. Deze week heeft een Koreaans onderzoeksteam ontdekt hoe dat moet creëer een afstembare band gap in het materiaal, waardoor het kan worden gebruikt als halfgeleider en (mogelijk) een superieure vervanging voor silicium.

Wat betekent dit voor halfgeleiders, en de toekomst van grafeen De nieuwste computertechnologie die u moet zien om te gelovenBekijk enkele van de nieuwste computertechnologieën die de wereld van elektronica en pc's de komende jaren zullen transformeren. Lees verder ? Laten wij het uitzoeken!

Zwarte fosfor

Net als grafeen kan zwarte fosfor worden gescheiden in vellen van één atoom dik. Deze plaat staat bekend als fosforen, maar in tegenstelling tot grafeen werken deze lagen een uitstekende halfgeleider die gemakkelijk kan worden in- en uitgeschakeld, hopelijk aanzienlijk lager

stroomvereisten voor een nieuwe generatie 8 Ongelooflijke nieuwe manieren om elektriciteit op te wekkenAlternatieve energie is een opkomst, maar misschien weet u niet van alle opties. Hier zijn enkele van de gekste nieuwe manieren om energie op te wekken. Lees verder van ultrageleidende transistors. Grafeen is extreem geleidend, maar heeft geen natuurlijke bandafstand, en dit is waar zwarte fosfor kan optreden.

Productie

Zwarte fosfor is een thermodynamisch stabiele allotroop van het element, fosfor. Stabiel bij kamertemperatuur, zwarte fosfor is geen ‘natuurlijk voorkomende’ stof en wordt alleen verkregen door witte fosfor te verhitten onder extreem hoge druk, zo'n 12.000 atmosfeer. De resulterende zwarte fosforkristallen hebben gebobbelde honingraatlagen, met tussenlaag afstand van 0,5 nanometer Je zult het niet geloven: DARPA Future Research Into Advanced ComputersDARPA is een van de meest fascinerende en geheimzinnige delen van de Amerikaanse regering. Hieronder volgen enkele van de meest geavanceerde projecten van DARPA die beloven de wereld van technologie te transformeren. Lees verder , een ander soortgelijk kenmerk van grafeen.

Eenmaal gemaakt, is zwarte fosfor moeilijk te produceren in grote hoeveelheden op de gespecificeerde breedte. De traditionele methode, ook toegepast op andere tweedimensionale materialen, is die van mechanische afschilfering. In dit uiterst langzaam lopende proces vermalen onderzoekers een hoeveelheid zwarte fosfor tot een gecomprimeerde poeder, gebruik dan plakband om de lagen langzaam af te pellen totdat ze slechts een paar lagen film vormen dik. Het is beperkt en beperkt tot zowel productie als onderzoek.

Zich realiserend hoe restrictief deze methode is, Mark C. Hersam, een chemicus aan de Northwestern University, ontwikkelde een nieuwe techniek met behulp van oplossingschemie om de productie te versnellen. Ze plaatsen een kristal van zwarte fosfor en een oplosmiddel op de bodem van een ultrasone buis, die een snel vibrerende metalen punt gebruikt om de vloeistof te roeren.

De resulterende sonische werking, gecombineerd met het oplosmiddel, scheidt de zwarte fosfor in de vereiste nanometerdikke vellen, gesuspendeerd in de vloeistof. Onderzoekers kunnen deze ‘inkt’ vervolgens op oppervlakken spinnen, waardoor een willekeurige verdeling van dunne zwarte fosforvlokken ontstaat.

Terwijl de ultrasonicatietechniek een iets grotere opbrengst oplevert en een sneller proces is, is de willekeurige verdeling enigszins problematisch. Om echt efficiënte transistors te maken met behulp van zwarte fosfor, moeten onderzoekers en ingenieurs de oppervlakken met een veel grotere precisie kunnen spinnen. Dit is het volgende doel voor onderzoekers.

Band Gap

Een groot voordeel van de aantrekkingskracht van zwarte fosfor is de natuurlijke band gap. De bandkloof of energiekloof is wat geleidende materialen scheidt van halfgeleiders. Het werkt als volgt:

• Grafeen is een uitstekende geleider, wat het aantrekkelijk maakt voor computerprocessors. Weinig weerstand betekent weinig warmte. Helaas weten we nog niet hoe we het in een niet-geleidende toestand kunnen brengen. Grafeentransistors kunnen niet worden uitgeschakeld. Hoewel er misschien manieren zijn om dit probleem op te lossen, heeft nog niemand ze gekraakt.
• Zwarte fosfor is ook een uitstekende geleider, maar heeft ook een energiekloof, wat betekent dat de hoeveelheid energie die door het materiaal gaat, kan worden geschakeld tussen geleidend en isolerend. Door zwarte fosfor te doteren, kunt u eenvoudig traditionele transistors maken. Je kunt het ook afstemmen om echt specifiek gedrag te produceren, waardoor exotische elektronische schakelingen mogelijk zijn.

Het is deze brede band gap die vult materiaalwetenschappers Hoe 3D-printen mensen op een dag mogelijk kunnen zijnHoe werkt bioprinting? Wat kan er geprint worden? En ooit een volledig mens kunnen printen? Lees verder met enthousiasme. Dit, in combinatie met de hoge fotogevoeligheid van zwarte fosfor, zou de halfgeleider in alles kunnen zien, van chemische detectie tot optische schakelingen.

Optische schakelingen

Zwarte fosfor wordt ook wel een "direct-band" halfgeleider genoemd. Dit is een zeldzame eigenschap, wat betekent dat het materiaal elektrische signalen effectief en efficiënt kan omzetten in licht, waardoor het een uitstekende kandidaat is voor optische communicatie op de chip. Universiteit van Minnesota Afdeling Elektrotechniek en Computer Engineering, afgestudeerde student Nathan Youngblood, wiens paper over zwarte fosfor te zien in Natuurfotonica is van mening:

“Het is echt spannend om één materiaal te bedenken dat kan worden gebruikt om gegevens optisch te verzenden en te ontvangen en dat niet beperkt is tot een specifiek substraat of golflengte. Dit kan een enorm potentieel hebben voor snelle communicatie tussen CPU-kernen, wat momenteel een bottleneck is in de computerindustrie. ”

Een siliconenvervanger?

Hoewel Silicon Valley een nieuwe naam zou moeten krijgen, zou zwarte fosfor het materiaal kunnen zijn om het processorontwerp naar nieuwe hoogten te tillen. Idealiter verlaagt zwarte fosfor de bedrijfsspanning van transistors die zijn gecoat met de eerder genoemde ‘inkt’. Hierdoor wordt de warmte verlaagd geproduceerd tijdens gebruik, waardoor processors sneller kunnen worden geklokt zonder oververhitting, een proces dat grotendeels is vastgelopen om meer toe te voegen kernen. Dit zou de efficiëntie van de chip en, nog belangrijker, de algehele verwerkingskracht verhogen.

De wet van Moore gaat mogelijk door 7nm IBM Chip verdubbelt prestaties, bewijst de wet van Moore tot en met 2018Een aantal fundamentele fysieke limieten komen samen om een ​​einde te maken aan de voortgang van traditionele siliciumcomputerchips. Een radicaal nieuwe doorbraak kan helpen om de grenzen wat verder te verleggen. Lees verder zoals gepland!

Het zijn niet alleen transistors die baat kunnen hebben bij zwarte fosfor. Andere toepassingen binnen de elektronica zijn onder meer: zonnepanelen, zonnecellen Efficiënt. Goedkoop. Geweldig. Hier is waarom nieuwe spray-on zonnecellen belangrijk zijnDe kosten van zonne-energie zullen naar verwachting snel dalen nadat een team van wetenschappers die werkzaam zijn bij de De University of Sheffield in het Verenigd Koninkrijk heeft de ontwikkeling van zonnecellen aangekondigd met behulp van een spray-on werkwijze. Lees verder , batterijen Batterijtechnologieën die de wereld gaan veranderenBatterijtechnologie is langzamer gegroeid dan andere technologieën en is nu de lange tentpaal in een verbluffend aantal industrieën. Wat is de toekomst van batterijtechnologie? Lees verder , schakelaars, sensoren en meer. Maar zoals met de meeste wondermaterialen, werken met, onderzoeken en materialen op atomair niveau implementeren Quantum Computers: het einde van cryptografie?Quantum computing als idee bestaat al een tijdje - de theoretische mogelijkheid werd oorspronkelijk geïntroduceerd in 1982. In de afgelopen jaren is het veld dichter bij de praktijk gekomen. Lees verder kost tijd, dus verwacht het niet een opto-elektronische computer Hoe werken optische en kwantumcomputers?Het Exascale-tijdperk komt eraan. Weet u hoe optische en kwantumcomputers werken en zullen deze nieuwe technologieën onze toekomst worden? Lees verder Minecraft spelen De (laatkomer) beginnershandleiding voor MinecraftMaak je echter geen zorgen als je te laat bent op het feest - deze uitgebreide beginnershandleiding heeft je gedekt. Lees verder binnenkort.

Moeten we opgewonden zijn?

Ja natuurlijk. We hebben het letterlijk over de potentiële toekomst van zowel computergebruik als optische communicatie. We moeten ons echter niet verheugen en aan boord springen van een Black Phosphorus-hype-trein, want het wordt een lange oude reis zonder definitief einde in zicht. Verbazingwekkende materialen zoals zwarte fosfor, zoals grafeen, zoals molybdeendisulfide zullen de toekomst veranderen. Alleen niet zo snel als we zouden willen.

Ben je enthousiast over futuristische materialen? Of is het allemaal gewoon een hype? Laat ons weten wat je denkt!

Afbeeldingscredits: zwart poeder door Fablok via Shutterstock, Fosforallotropen, Zwarte fosforampul, Fosforstructuur, DWave-chip allemaal via Wikimedia Commons, Microchip via Flickr