I mer än 50 år, kiselchiptillverkare har hittat på uppfinningsrika sätt att slå på och stänga av elektricitet, genererar de digitala ettorna och nollorna som kodar ord, bilder, filmer och andra former av data.

Men när forskare tänker på elektronik för de kommande 50 åren, de har börjat se bortom kisel till nya typer av material som förekommer i enstaka lager bara tre atomer tjocka – mycket tunnare än moderna kiselchips – men kan kontrollera elektriciteten mer effektivt för att skapa dessa digitala ettor och nollor.

Nu har ett team under ledning av Stanfords elektrotekniker Docent Eric Pop visat hur det kan vara möjligt att masstillverka så atomärt tunna material och elektronik. Varför skulle detta vara användbart? Eftersom sådana tunna material också skulle vara transparenta och flexibla, på sätt som skulle möjliggöra elektroniska enheter som inte skulle vara möjliga att tillverka med kisel.

"Tänk om ditt fönster också var en tv, eller kan du ha en heads-up-display på vindrutan på din bil?" frågade Kirby Smithe, en doktorand i Pops team, föreslå elektroniska applikationer som det nya materialet kan möjliggöra.

Smithe, Pop och medförfattare Chris English och Saurabh Suryavanshi, båda doktorander i Pops labb, har beskrivit sitt arbete i tidskriften 2D Materials, som är tillägnad forskning om atomärt tunna, tvådimensionella enheter.

Teori till verklighet

Teamets mål var att utveckla en tillverkningsprocess för att förvandla enskiktschips till praktiska verkligheter. Det första atomärt tunna materialet uppmättes 2004 när forskare observerade att grafen – ett material relaterat till "bly" i pennor – kunde isoleras i lager lika tjocka som en enda kolatom. Forskarna som gjorde detta fynd delade på 2010 års Nobelpris i fysik.

Men processen som användes för att göra den upptäckten – forskarna lyfte lager av grafen från en sten med hjälp av tejp – var till ingen nytta för att förvandla ultratunna kristaller till nästa generations elektronik.

I kölvattnet av grafenupptäckten, ingenjörer gav sig i kast med att hitta liknande material och, mer viktigt, praktiska sätt att skapa atomärt tunna switchar till kretsar.

Det är i frågan om tillverkningsbarhet där Stanford-teammedlemmarna gjorde ett stort framsteg. De började med ett enda lager av material som kallas molybdendisulfid. Namnet beskriver dess sandwichliknande struktur:ett ark av molybdenatomer mellan två lager av svavel. Tidigare forskning hade visat att molybdendisulfid var en bra växling, styra el för att skapa digitala ettor och nollor.

Uppskalning

Frågan var om teamet kunde tillverka en molybdendisulfidkristall stor nog att bilda ett chip. Det kräver att du bygger en kristall som är ungefär lika stor som din miniatyrbild. Detta kanske inte låter som en stor grej förrän du tänker på kristallens bildförhållande:ett chip som bara är tre atomer tjockt men storleken på din miniatyrbild är som ett enda pappersark som är tillräckligt stort för att täcka hela Stanford-campuset.

Stanford-teamet tillverkade det arket genom att deponera tre lager av atomer i en kristallin struktur 25 miljoner gånger bredare än den är tjock. Smithe uppnådde detta genom att göra geniala förbättringar av en tillverkningsprocess som kallas kemisk ångavsättning. Detta tillvägagångssätt förbränner i huvudsak små mängder svavel och molybden tills atomerna förångas som sot. Atomerna avsätts sedan som ett ultratunt kristallint skikt på ett "handtags"-substrat, som kan vara glas eller till och med kisel.

Dock, forskarnas jobb var inte gjort. De var fortfarande tvungna att mönstra materialet till elektriska strömbrytare och förstå hur de fungerar. För detta, de använde sig av ett nyligen framsteg ledd av engelska, som upptäckte att extremt rena avsättningsförhållanden är väsentliga för att bilda goda metalliska kontakter med molybdendisulfidskikten. Den rikedom av nya experimentella data som finns tillgängliga nu i labbet har också gjort det möjligt för Suryavanshi att skapa exakta datormodeller av de nya materialen och att börja förutsäga deras kollektiva beteende som kretskomponenter.

"Vi har mycket arbete framför oss för att skala den här processen till kretsar med större skalor och bättre prestanda, sa Pop. "Men nu har vi alla byggstenar."

Etsning av switcharna

Under chiptillverkning, kretsar måste etsas in i materialet. För att visa hur en storskalig, Tillverkningsprocess för enkelskiktschip kan utföra detta steg i framtiden, teamet använde standardverktyg för etsning för att skära Stanford-logotypen till sin prototyp. Och då, att ha lite roligt med ett projekt de genomförde under en nationell valkampanj, de ristade in nanoskaliga porträtt av de två stora partikandidaterna i deras atomärt tunna duk.

Pop sa att Stanford-teamet inspirerades att göra detta av forskare som gjorde något liknande under valcykeln 2008, när de skapade "nanobama" – små bilder av dåvarande presidenten Barack Obama med kolnanorör. Nanorör är en annan potentiell nästa generations chipteknologi; forskarna i det projektet använde nanobama som ett sätt att uppmärksamma teknikernas förmåga att tillverka föremål som är nästan ofattbart små.

"Många människor är intresserade av elektronik eftersom tekniken är användbar, " sa Pop. "Men vi hoppas att nanotrump och nanoclinton kan bredda intresset för forskning. Kanske kommer det att inspirera framtida forskare på ett sätt som vi inte ens kan föreställa oss än att se porträtt etsade in i en tre atoms tjock duk."