Η ιστορία της μικροηλεκτρονικής τα τελευταία εξήντα χρόνια συνοψίζεται σε μια αδιάκοπη κούρσα: πώς θα χωρέσουν περισσότερα τρανζίστορ στον ίδιο χώρο. Αυτή η στρατηγική, που οδήγησε στον νόμο του Moore, έφερε εντυπωσιακά άλματα στην υπολογιστική ισχύ. Ωστόσο, σήμερα το πυρίτιο, το υλικό που στήριξε την ψηφιακή επανάσταση, αρχίζει να δείχνει τα όριά του. Τα εξαρτήματα έχουν φτάσει σε κλίμακα μερικών δεκάδων ατόμων και τα προβλήματα πληθαίνουν: πολυπλοκότητα στην παραγωγή, απώλειες ρεύματος, αστάθεια. Ο ρυθμός προόδου απειλεί να επιβραδυνθεί.
Σε αυτό το κρίσιμο σημείο έρχονται να δώσουν απαντήσεις τα δισδιάστατα υλικά. Πρόκειται για δομές που έχουν πάχος μόλις ενός ατομικού στρώματος, τόσο λεπτές ώστε να μοιάζουν περισσότερο με επιφάνειες παρά με στερεά. Κι όμως, οι ιδιότητές τους δείχνουν ότι θα μπορούσαν να αποτελέσουν το υπόβαθρο της επόμενης γενιάς κυκλωμάτων. Ανάμεσα στα πιο υποσχόμενα υλικά ξεχωρίζουν το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου (MoS2) και το δισελένιο του βολφραμίου (WSe2). Αυτοί οι ημιαγωγοί καταφέρνουν να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα με εντυπωσιακή αποτελεσματικότητα, ακόμα και όταν το πάχος τους είναι σχεδόν μηδενικό.
Το πιο σημαντικό είναι ότι μπορούν να λειτουργήσουν τόσο ως τρανζίστορ τύπου n όσο και τύπου p, τα δύο βασικά δομικά στοιχεία κάθε ψηφιακής λογικής πύλης. Χωρίς αυτά, δεν θα υπήρχαν οι λογικές πύλες, τα κυκλώματα και τελικά οι επεξεργαστές που στηρίζουν τον σύγχρονο κόσμο. Παρ’ όλα αυτά, η μετάβαση από το εργαστήριο στη βιομηχανική παραγωγή υπήρξε μέχρι τώρα δύσκολη. Οι κλασικές μέθοδοι απαιτούν θαλάμους κενού, υψηλές θερμοκρασίες ή χειροκίνητη διαχείριση λεπτότατων νανοφύλλων. Το αποτέλεσμα ήταν συχνά ακανόνιστο και περιορισμένο σε πολύ μικρή κλίμακα.
Μια ερευνητική ομάδα, σε μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Advanced Functional Materials, παρουσίασε μια τεχνική που υπόσχεται να αλλάξει τα δεδομένα. Ο άξονας της καινοτομίας είναι τα ηλεκτρικά πεδία, τα οποία χρησιμοποιούνται για να καθοδηγούν τη συναρμολόγηση των δισδιάστατων υλικών. Η διαδικασία ξεκινά με ηλεκτροχημική απολέπιση: εφαρμόζεται τάση σε ένα κρύσταλλο και μεγάλα ιόντα εισχωρούν ανάμεσα στα στρώματά του, αποδυναμώνοντας τους εσωτερικούς δεσμούς. Έπειτα, με μια προσεκτική ηχητική επεξεργασία, τα ατομικά φύλλα αποχωρίζονται και παραμένουν αιωρούμενα σε διάλυμα, φτάνοντας σε διαστάσεις μεγαλύτερες από ένα μικρόμετρο – πολύ πάνω από ό,τι επιτυγχάνεται με τις παραδοσιακές μηχανικές μεθόδους.
Το επόμενο βήμα είναι ίσως το πιο εντυπωσιακό: τα διαμορφωμένα ηλεκτρόδια σχηματίζουν ένα ηλεκτρικό πεδίο που καθοδηγεί τα νανοφύλλα να τοποθετηθούν ακριβώς στη θέση που πρέπει, ανάμεσα σε προκαθορισμένες επαφές. Έτσι είναι εφικτό να κατασκευαστούν πολλαπλές διατάξεις ταυτόχρονα, χωρίς να χρειάζεται φωτολιθογραφία ή περίπλοκες εγχαράξεις. Το όλο εγχείρημα διαρκεί περίπου 15 δευτερόλεπτα και καταλήγει σε ομοιόμορφα κανάλια πάχους μόλις 10 νανομέτρων.
Τα πειράματα έδειξαν ότι με αυτή την τεχνική μπορούν να δημιουργηθούν βασικές λογικές πύλες, όπως NAND και NOR, αλλά και μικρές μνήμες – τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία κάθε επεξεργαστή. Το εντυπωσιακό είναι ότι όλα αυτά επιτυγχάνονται με πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και αξιοσημείωτη σταθερότητα.
Για πρώτη φορά, λοιπόν, διαγράφεται με ρεαλιστικούς όρους η προοπτική να ξεπεραστούν οι περιορισμοί του πυριτίου. Αυτό δεν σημαίνει ότι αύριο τα smartphones μας θα εγκαταλείψουν το υλικό που τα καθιέρωσε. Το πυρίτιο θα συνεχίσει να έχει τον πρωταγωνιστικό ρόλο για αρκετό καιρό ακόμη. Ωστόσο, ο ορίζοντας έχει ανοίξει. Αν αυτές οι τεχνολογίες βρουν τον δρόμο προς τη βιομηχανική παραγωγή, οι υπολογιστές του μέλλοντος μπορεί να κατασκευάζονται από φύλλα λίγων ατόμων που καθοδηγούνται από αόρατα ηλεκτρικά πεδία – ένα σενάριο που μέχρι χθες φάνταζε καθαρή επιστημονική φαντασία.
Η πρόκληση τώρα είναι η μετάβαση από το εργαστήριο στην αγορά. Χρειάζονται βελτιώσεις στην κλιμάκωση, στην επαναληψιμότητα και στην ενσωμάτωση με τις υπάρχουσες τεχνολογίες. Όμως το γεγονός ότι η συναρμολόγηση μπορεί να γίνει γρήγορα, με χαμηλό ενεργειακό κόστος και χωρίς τα περίπλοκα στάδια της παραδοσιακής λιθογραφίας, δείχνει έναν δρόμο που ίσως αποδειχθεί πιο βιώσιμο.
[via]
