Nästa generation av funktionsfylld och energieffektiv elektronik kommer att kräva datorchips som bara är några atomer tjocka. För alla dess positiva egenskaper, pålitligt kisel kan inte ta oss till dessa ultratunna ytterligheter.

Nu, elektriska ingenjörer på Stanford har identifierat två halvledare - hafniumdiselenid och zirkoniumdiselenid - som delar eller till och med överskrider några av kiselns önskvärda egenskaper, börjar med det faktum att alla tre materialen kan "rosta".

"Det är lite som rost, men en mycket önskvärd rost, "sa Eric Pop, docent i elektroteknik, som författade tillsammans med postdoktor Michal Mleczko en uppsats som visas i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

De nya materialen kan också krympa till funktionella kretsar som bara är tre atomer tjocka och de kräver mindre energi än kiselkretsar. Även om det fortfarande är experimentellt, forskarna sa att materialen kunde vara ett steg mot de typer av tunnare, mer energieffektiva chips som efterfrågas av framtidens enheter.

Kiselens styrkor

Kisel har flera kvaliteter som har lett till att den har blivit grundstenen för elektronik, Pop förklarade. Det ena är att det är välsignat med en mycket bra "infödd" isolator, kiseldioxid eller, på vanlig engelska, kiselrost. Att utsätta kisel för syre under tillverkningen ger chip-tillverkare ett enkelt sätt att isolera sina kretsar. Andra halvledare "rostar" inte till bra isolatorer när de utsätts för syre, så de måste vara skiktade med ytterligare isolatorer, ett steg som introducerar tekniska utmaningar. Båda diseleniderna som Stanford -gruppen testade bildade detta svårfångade, ändå högkvalitativt isolerande rostskikt när det utsätts för syre.

Inte bara rostar båda ultratunna halvledarna, de gör det på ett sätt som är ännu mer önskvärt än kisel. De bildar vad som kallas "high-K" isolatorer, som möjliggör lägre effektdrift än vad som är möjligt med kisel och dess kiseloxidisolator.

När Stanford -forskarna började krympa diseleniderna till atomär tunnhet, de insåg att dessa ultratunna halvledare delar en annan av kisels hemliga fördelar:energin som behövs för att slå på transistorer - ett kritiskt steg i beräkning, kallas bandgapet - är i ett precis rätt område. För lågt och kretsarna läcker och blir opålitliga. För högt och chipet tar för mycket energi för att fungera och blir ineffektivt. Båda materialen låg i samma optimala intervall som kisel.

Allt detta och diseleniderna kan också formas till kretsar som bara är tre atomer tjocka, eller ungefär två tredjedelar av en nanometer, något kisel inte kan göra.

"Ingenjörer har inte kunnat göra kiseltransistorer tunnare än cirka fem nanometer, innan materialegenskaperna börjar förändras på oönskade sätt, "Sa Pop.

Kombinationen av tunnare kretsar och önskvärd hög-K-isolering innebär att dessa ultratunna halvledare skulle kunna göras till transistorer som är 10 gånger mindre än någonting möjligt med kisel idag.

"Kisel försvinner inte. Men för konsumenter kan detta innebära mycket längre batteritid och mycket mer komplex funktionalitet om dessa halvledare kan integreras med kisel, "Sa Pop.

Mer arbete att göra

Det är mycket arbete som väntar. Först, Mleczko och Pop måste förfina de elektriska kontakterna mellan transistorer på deras ultratunna diselenidkretsar. "Dessa anslutningar har alltid visat sig vara en utmaning för alla nya halvledare, och svårigheten blir större när vi krymper kretsar till atomskala, "Sa Mleczko.

De arbetar också för att bättre kontrollera de oxiderade isolatorerna för att se till att de förblir så tunna och stabila som möjligt. Sista, men inte minst, först när dessa saker är i ordning kommer de att börja integreras med andra material och sedan skala upp till fungerande skivor, komplexa kretsar och, så småningom, kompletta system.

"Det finns mer forskning att göra, men en ny väg till tunnare, mindre kretsar - och mer energieffektiv elektronik - är inom räckhåll, "Sa Pop.