Tvådimensionella material, eller 2D-material för kort, är extremt mångsidiga, även om - eller ofta mer exakt för att - de är uppbyggda av bara ett eller några lager av atomer. Grafen är det mest kända 2D-materialet. Molybdendisulfid (ett lager bestående av molybden- och svavelatomer som är tre atomer tjockt) faller också i denna kategori, fastän, till skillnad från grafen, den har halvledaregenskaper. Med sitt team, Dr Thomas Mueller från Photonics Institute vid TU Wien forskar om 2D-material, ser dem som ett lovande alternativ för framtida produktion av mikroprocessorer och andra integrerade kretsar.

Helheten och summan av dess delar

Mikroprocessorer är en oumbärlig och allestädes närvarande komponent i den moderna världen. Utan deras fortsatta utveckling, många av de saker vi tar för givna nuförtiden, som datorer, mobiltelefoner och internet, skulle inte vara möjligt alls. Dock, medan kisel alltid har använts i produktionen av mikroprocessorer, det närmar sig nu sakta men säkert sina fysiska gränser. 2D-material, inklusive molybdendisulfid, visar lovande som potentiella ersättare.

Även om forskning om individuella transistorer - de mest grundläggande komponenterna i varje digital krets - gjorda av 2D-material har pågått sedan grafen först upptäcktes tillbaka 2004, framgången med att skapa mer komplexa strukturer har varit mycket begränsad. Hittills, det har bara varit möjligt att producera enskilda digitala komponenter med ett fåtal transistorer. För att uppnå en mikroprocessor som fungerar oberoende, dock, Det krävs mycket mer komplexa kretsar som, dessutom måste interagera felfritt.

Thomas Mueller och hans team har nu lyckats uppnå detta för första gången. Resultatet är en 1-bitars mikroprocessor bestående av 115 transistorer över en yta på cirka 0,6 mm2 som kan köra enkla program.

"Fastän, detta verkar naturligtvis blygsamt jämfört med industristandarder baserade på kisel, detta är fortfarande ett stort genombrott inom detta forskningsfält. Nu när vi har ett proof of concept, i princip finns det ingen anledning till att ytterligare utvecklingar inte kan göras, säger Stefan Wachter, en doktorand i Dr Muellers forskargrupp. Dock, det var inte bara valet av material som ledde till framgången för forskningsprojektet. "Vi övervägde också noggrant dimensionerna på de individuella transistorerna, " förklarar Mueller. "De exakta förhållandena mellan transistorgeometrierna inom en grundläggande kretskomponent är en kritisk faktor för att kunna skapa och kaskadera mer komplexa enheter."

Framtida prospekt

Det säger sig självt att mycket kraftfullare och mer komplexa kretsar med tusentals eller till och med miljontals transistorer kommer att krävas för att denna teknik ska ha en praktisk tillämpning. Reproducerbarhet fortsätter att vara en av de största utmaningarna som för närvarande står inför inom detta forskningsområde tillsammans med utbytet i produktionen av de använda transistorerna. Trots allt, både produktionen av 2D-material i första hand och metoderna för att bearbeta dem vidare är fortfarande i ett mycket tidigt skede.

"Eftersom våra kretsar tillverkades mer eller mindre för hand i labbet, sådana komplexa konstruktioner är naturligtvis ganska mycket utanför vår förmåga. Varenda en av transistorerna måste fungera som planerat för att processorn ska fungera som en helhet, " förklarar Mueller, betonar de enorma krav som ställs på den senaste elektroniken.

Dock, forskarna är övertygade om att industriella metoder kan öppna upp nya användningsområden för denna teknik under de närmaste åren. Ett sådant exempel kan vara flexibel elektronik, som krävs för medicinska sensorer och flexibla displayer. I detta fall, 2D-material är mycket mer lämpliga än kisel som traditionellt används på grund av sin betydligt större mekaniska flexibilitet.