可以替代硅的神奇材料

硅非常棒。從最初的原始台式計算機到袖珍型超級計算機(我們稱為智能手機),電子計算的穩步發展已證明了硅卓越的價值,而它的發展已超過70年。如果我們恰到好處地配製硅,將其成型為晶體管,它既可以作為導體,也可以作為絕緣體,這取決於您所要經過的電荷,這是整個數字革命的基礎,包括互聯網以及從TikTok到互聯網的一切都是基於其實現的。

但是硅的劣勢正在凸顯。微芯片的計算能力每兩年可靠地翻一番,這就是所謂的摩爾定律(Moore’s Law),但這個運行了數十年的定律一直在放緩,並且可能很快就會終結。據我們了解,使用當前的方法,將元素蝕刻到最小尺寸小於約3納米的硅(如晶體管)中幾乎是不可能的。(從一個角度看,一個3納米的膜厚度可以低至15個原子。)因此,技術行業正在尋找其他奇妙的材料來代替舊的硅,或者至少與之結合以大大提高其硅的厚度和能力。

可以替代硅的神奇材料

物理學、化學和工程學前沿的研究人員正在試驗用於微芯片的奇異物質。它們包括石墨烯,黑磷,過渡金屬二鹵化物和氮化硼納米片。總的來說,它們被稱為2-D材料,因為它們是僅一個原子或兩個厚度的平板。僅僅在20年前還不為人所知,現在它們已在實驗室中定期製造,使用的方法包括平凡的攪拌機和棘手的高溫氣相沉積法。

項研究的某些結果已經可以在今天出售的設備中找到,但預計在未來十年中將出現更多,為我們的小工具帶來新的功能。這些將包括新穎的功能,例如智能手機中的紅外夜視模式,以及功能強大的功能,例如速度快10倍且功率效率更高的微芯片。這可以實現新形式的人機交互,例如適合日常眼鏡的增強現實系統。

聽起來像科幻小說嗎?實際上,其中一些是。由於各種原因,這些二維材料的許多潛在應用不會在短期內實現,包括將它們與現有電子設備一起使用並集成到其中的難度,或者說每年製造數十億個設備的難度。

為了尋求幫助,研究人員必須對所有這些潛在材料進行分類。一支小型軍隊正在努力,他們來自數十所大學以及 IBM , 三星, TSMC,GlobalFoundries以及世界上幾乎所有其他大型芯片設計或製造公司。他們正在尋找理想特性和可製造性的正確組合,即能夠可靠地大量生產的能力。

所有二維材料的祖父都是石墨烯。如果我們能夠像魔術校車一樣收縮自己,並懸停在其表面上方,則石墨烯看起來就像是由碳原子製成的六邊形的平面。石墨烯就像鉛筆中的石墨,只是排列成平面晶體。

1940年代對它的存在進行了理論化,但是直到2004年,研究人員才對其進行了適當的合成和表徵。(它為他們贏得了諾貝爾獎。)

石墨烯很強,並且具有導熱的天賦,因此它已經找到了使智能手機及其電池保持涼爽以及延長運動裝備壽命的應用。由於其特性更類似於金或銅等其他導體,因此不太可能替代硅。但是它確實具有許多獨特的特性,使其與傳統的硅微芯片結合使用時非常有用。

位於聖地亞哥的初創公司Cardea Bio已經開始銷售這種組合系統。它的新傳感器「生物門控晶體管」將生物活性分子(例如某些抗體)附着到石墨烯片上,而石墨烯又附着在硅片上。石墨烯不僅是一種很好的導體,而且對任何可能幹擾其導電性的接觸都非常敏感。

Cardea Bio首席執行官Michael Heltzen說:「生物學的美麗之處在於它是技術,它具有組織上的復雜性。」 他補充說,石墨烯可以將生物學的模擬世界轉化為人類工程師和人類構建的系統可以操縱和收集數據的數字世界。

可以替代硅的神奇材料

Heltzen先生說,Cardea Bio的系統目前正在搭配在研究人員使用的儀器中出售,這種芯片有一天可以掃描液體中的特定有機分子,即幾乎所有大小不一的有機物都可以進入環境。該公司宣布,作為佐治亞理工學院的一個項目的一部分,該項目是由美國國防高級研究計劃局資助的,它正在製造一種傳感器,該傳感器可以檢測空氣流中的冠狀病毒顆粒。有人呼出病毒顆粒後不久,建築物內的此類設備即可檢測出SARS-CoV-2。如果可行,最終可能導致可以重新編程以檢測其他病原體的系統。

德克薩斯大學奧斯汀分校研究二維材料的教授 Deji Akinwande表示,其他即將出現的石墨烯-硅團隊合作包括超薄,超靈敏的相機。這是因為石墨烯可以使光傳感器對光的敏感度比硅製成的傳感器高一百倍。此外,由於石墨烯基材料可以在更寬的電磁頻譜范圍內「看到」,因此可以使微型,廉價,高分辨率的紅外攝像機成為可能,這些攝像機可以裝入智能手機。這項技術已經處於原型階段,可以使我們的智能手機相機看到物體產生的熱量。

此外,Akinwande博士及其同事預測,到本世紀中葉,二維材料對光的處理可能會讓我們的設備進行更有意義的升級。光將是微芯片與計算機內部其他組件之間以及內部以及之間的較快,更有效的通信方式,從而加快了電子在微芯片和通信網絡內部被光子替換的速度。

Akinwande博士說,二維材料可能會產生巨大影響的另一個領域是將微芯片堆疊在一起,例如高層建築。硅堆棧已經在閃存和移動設備芯片中很普遍,而這些設備和移動設備芯片中的空間非常寶貴,例如Apple Watch內部。

由於二維材料只有一個原子或兩個厚度,因此它們可以在硅微芯片上生長,也可以分別生長,然後小心放置。賓夕法尼亞大學專門研究納米技術的工程學教授Deep Jariwala說,這與僅堆疊硅層的方案相比有兩個優勢。首先是可以堆疊許多芯片而不會增加芯片的高度。第二個原因是某些二維材料(尤其是石墨烯)的散熱效果非常好,工程師可以使用它們來製造高樓板,其運行速度比傳統微芯片還要快,而不會燒壞自己。

在曼徹斯特大學,研究人員創建了一種超淨設備,用於將二維材料堆疊在一起。由於這些材料很容易被空氣損壞,因此所有這些操作都必須在真空室內進行。

將這種尖端的製造技術轉化為可能在世界上最大的微芯片工廠(由台積電,三星和GlobalFoundries等公司運營的所謂「晶圓廠」)中發生的事情,是將二維材料帶入現實的關鍵,Playground Global的風險投資家Peter Barrett表示,他投資於從事下一代微芯片及其材料研究的公司。

Peter Barrett先生說:「硅的成功,在於它的製造性。」

也許,從現在開始的數年或數十年後,一旦對某些新穎的2-D材料有了足夠的了解,並花費了數十億美元以全球半導體產業的規模推出這些材料,其中的一種或多種可能會取代硅Jariwala博士說,它在我們計算機內部的一些主要應用程序中都發揮了重要作用。

他補充說,一種這樣的二維材料已經顯示出了希望,因為它不同於石墨烯,它是一種良好的半導體,這種二維材料就是二硫化鉬。它已被用於創建靈活的電子設備和簡單的微處理器。而且,它作為潛在的硅替代品的適用性並不孤單:它是數百種(甚至數千種)有前途的材料的大家族中的一部分。與許多此類物質一樣,它面臨的一項挑戰是製造和處理它們可能很困難。

Peter Barrett先生說,與此同時,現有硅芯片的新穎應用,例如量子計算和模仿人腦的「神經形態」計算,將推動工程師將硅推向絕對的物理極限,並在此過程中為未來的發展鋪平道路。

從不斷縮小的電子產品和破解代碼到雲計算和人工智能,對我們硬件的需求增長速度超過了當前技術的增長速度。他補充說,足夠的需求加上實驗室中足夠的進展,最終可能證明,為了將二維材料帶到中心舞台,我們所支付的巨額投資是合理的。

來源:cnBeta