Il fosforo nero potrebbe essere il futuro dei microchip?

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Il grafene è stato a lungo visto come il futuro dei processori per computer e dell'elettronica. Tuttavia, negli ultimi due anni, sono emersi alcuni straordinari materiali cristallini bidimensionali. Un nuovo sfidante è il fosforo nero. Questa settimana, un gruppo di ricerca coreano ha capito come farlo creare un gap di banda sintonizzabile nel materiale, permettendogli di essere usato come semiconduttore e (potenzialmente) un sostituto superiore per il silicio.

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Fosforo nero

Come il grafene, il fosforo nero può essere separato in fogli spessi un atomo. Questi fogli sono noti come fosforene, ma a differenza del grafene questi strati agiscono come un eccellente semiconduttore che può essere facilmente attivato e disattivato, si spera sostanzialmente abbassando il

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Produzione

Il fosforo nero è un allotropo termodinamicamente stabile dell'elemento, il fosforo. Stabile a temperatura ambiente, il fosforo nero non è una sostanza "naturale" ed è ottenuto solo riscaldando il fosforo bianco ad altissima pressione, circa 12.000 atmosfere. I risultanti cristalli di fosforo nero presentano strati a nido d'ape increspati, con distanza interstrato di 0,5 nanometri Non ci crederai: la ricerca futura DARPA sui computer avanzatiDARPA è una delle parti più affascinanti e segrete del governo degli Stati Uniti. Di seguito sono riportati alcuni dei progetti più avanzati di DARPA che promettono di trasformare il mondo della tecnologia. Leggi di più , un'altra caratteristica simile al grafene.

Una volta creato, il fosforo nero è difficile da produrre in grandi quantità alla larghezza specificata. Il metodo tradizionale, applicato anche ad altri materiali bidimensionali, è quello dell'esfoliazione meccanica. In questo processo minuziosamente lento i ricercatori frantumano una quantità di fosforo nero in una compressa polvere, quindi utilizzare il nastro adesivo per staccare lentamente gli strati fino a quando non creano un film di pochi strati di spessore. È limitato e limitante sia alla produzione che alla ricerca.

Rendendosi conto di quanto restrittivo sia questo metodo, Mark C. Hersam, un chimico della Northwestern University ha sviluppato un nuova tecnica usando la chimica della soluzione per accelerare la produzione. Posizionano un cristallo di fosforo nero e un solvente sul fondo di un tubo ad ultrasuoni, che utilizza una punta di metallo a vibrazione rapida per agitare il liquido.

L'azione sonora risultante, combinata con il solvente, separa il fosforo nero nei fogli spessi nanometrici richiesti, sospesi nel liquido. I ricercatori possono quindi spalmare questo "inchiostro" sulle superfici, creando una distribuzione casuale di sottili scaglie di fosforo nero.

Mentre la tecnica dell'ultrasuono produce una resa leggermente maggiore ed è un processo più rapido, la distribuzione casuale è alquanto problematica. Per creare transistor veramente efficienti utilizzando ricercatori e ingegneri di fosforo nero, è necessario essere in grado di spalmare le superfici con una precisione molto maggiore. Questo è il prossimo obiettivo per i ricercatori.

Band Gap

Un grande vantaggio del fascino del fosforo nero è il suo naturale gap di banda. Il gap di banda, o gap di energia, è ciò che separa i materiali conduttivi dai semiconduttori. Funziona così:

• Il grafene è un conduttore eccellente, che è ciò che lo rende attraente per i processori di computer. Poca resistenza significa poco calore. Sfortunatamente, non sappiamo ancora come trasformarlo in uno stato non conduttivo. I transistor al grafene non possono spegnersi. Sebbene possano esserci modi per risolvere questo problema, nessuno li ha ancora risolti.
• Anche il fosforo nero è un conduttore eccellente, ma ha anche un gap di energia, il che significa che la quantità di energia che passa attraverso il materiale può essere commutata tra conduzione e isolamento. Drogando il fosforo nero, è possibile creare facilmente transistor tradizionali. Puoi anche sintonizzarlo per produrre comportamenti davvero specifici, consentendo circuiti elettronici esotici.

È questo ampio gap di banda che colma scienziati dei materiali Come gli umani della stampa 3D potrebbero essere possibili un giornoCome funziona la bioprinting? Cosa può essere stampato? E sarà mai in grado di stampare un essere umano completo? Leggi di più con eccitazione. Questo, combinato con l'elevata sensibilità fotografica del fosforo nero, potrebbe vedere il semiconduttore utilizzato in tutto, dal rilevamento chimico ai circuiti ottici.

Circuiti ottici

Il fosforo nero è anche indicato come semiconduttore a "banda diretta". Questa è una proprietà rara, il che significa che il materiale può convertire in modo efficace ed efficiente i segnali elettrici in luce, rendendolo un candidato privilegiato per la comunicazione ottica su chip. Nathan Youngblood, studente laureato in ingegneria elettrica e informatica presso l'Università del Minnesota, il cui lavoro sul fosforo nero descritto in Fotonica della natura crede:

"È davvero interessante pensare a un singolo materiale che può essere utilizzato per inviare e ricevere dati otticamente e non si limita a un substrato o lunghezza d'onda specifici. Ciò potrebbe avere un enorme potenziale per la comunicazione ad alta velocità tra i core della CPU, che attualmente è un collo di bottiglia nel settore informatico ".

Una sostituzione del silicone?

Mentre la Silicon Valley avrebbe bisogno di essere ribattezzata, il fosforo nero potrebbe essere il materiale per portare il design del processore a nuovi livelli. Idealmente, il fosforo nero ridurrà la tensione operativa dei transistor rivestiti con il suddetto "inchiostro". Ciò abbasserà il calore prodotto durante l'uso, consentendo ai processori di essere sincronizzati più velocemente senza surriscaldarsi, un processo che si è in gran parte bloccato a favore di aggiungere altro nuclei. Ciò aumenterebbe l'efficienza dei chip e, soprattutto, la potenza di elaborazione complessiva.

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Dovremmo essere eccitati?

Sì, naturalmente. Stiamo letteralmente parlando del futuro potenziale sia della computazione che della comunicazione ottica. Non dovremmo, tuttavia, rallegrarci e saltare su un treno hype del fosforo nero, perché sarà un lungo viaggio senza fine definitiva in vista. Materiali sorprendenti come il fosforo nero, come il grafene, come il disolfuro di molibdeno sono pronti a cambiare il futuro. Solo non così rapidamente come potremmo desiderare.

Sei eccitato da materiali futuristici? O è tutto solo un mucchio di hype? Fateci sapere cosa ne pensate!

Crediti immagine: polvere nera di Fablok via Shutterstock, Allotropi di fosforo, Fiala di fosforo nero, Struttura al fosforo, Chip DWave tutto tramite Wikimedia Commons, Microchip via Flickr