پایان سلطنت سیلیکون؛ مواد نوظهوری که آینده را می‌سازند

سال‌هاست که سیلیکون به‌عنوان ستون فقرات صنعت نیمه‌هادی شناخته می‌شود. کوچک‌تر شدن مداوم ترانزیستورها و افزایش تراکم آن‌ها در تراشه‌ها، توسعه‌ی دستگاه‌های الکترونیکی قدرتمند و در عین حال، کوچک را ممکن کرد. اما این پیشرفت‌ها به مرزهای فیزیکی سیلیکون نزدیک شده‌اند و چالش‌هایی مانند تولید گرما، نشت جریان و کاهش عملکرد را به همراه داشته‌اند. برای ادامه‌ی این روند روبه‌رشد و دستیابی به فناوری‌های پیشرفته‌تر، محققان به دنبال کشف مواد جدیدی هستند که محدودیت‌های سیلیکون را برطرف کند.

مواد نوظهوری مانند گرافن، مکسین و سیلیکون کاربید، با خواص منحصربه‌فرد خود، پتانسیلِ گرفتن جایگاه سیلیکون و ایجاد تحول در صنعت الکترونیک را دارند. در این مطلب، به بررسی ویژگی‌ها، مزایا و چالش‌های این مواد خواهیم پرداخت و آینده‌ی صنعت تراشه را با تمرکز بر این مواد نوظهور مورد تحلیل قرار خواهیم داد.

سیلیکون، به‌دلیل خواص منحصربه‌فردش، سال‌ها پایه‌ی اصلی صنعت نیمه‌هادی به شمار می‌رود. این عنصر به‌دلیل در دسترس بودن، هزینه‌ی تولید پایین و پایداری شیمیایی، ماده‌ای ایده‌آل برای ساخت ترانزیستورها است. همچنین، این ماده با اعمال فرآیندهایی مانند افزون ناخالصی، قابلیت تبدیل‌ شدن به عایق یا رسانای الکتریکی را دارد.

مهدیه یوسفی

چرا در ساخت تراشه‌ از سیلیکون استفاده می‌شود؟

مطالعه '12

در کنار این مزایا، از محدودیت‌های سیلیکون نمی‌توانیم چشم‌پوشی کنیم. این محدودیت‌ها پس از کوچک‌تر شدن ترانزیستورها بیش از پیش آشکار شدند. یکی از چالش‌های اصلی سیلیکون، کاهش کارایی آن در دماهای بالا است. تراشه‌های مدرن با ترانزیستورهای فشرده‌تر، گرمای بیشتری تولید می‌کنند و سیلیکون در مدیریت این گرما عملکرد مناسبی ندارد.

از طرف دیگر، توانایی پایین سیلیکون در انتقال نور در فناوری‌هایی مانند لیزرها و ال‌ای‌دی‌ها، باعث شد تا این ماده جایگاه خود را به مواد دیگر واگذار کند. همچنین، محدودیت‌های سیلیکون در افزایش سرعت و کاهش ابعاد، تولیدکنندگان را به سمت استفاده از مواد جایگزین مانند سیلیکون کاربید، گالیوم نیترید و مواد دوبعدی مانند گرافن سوق داده است. این مواد، با ویژگی‌هایی همچون مقاومت در دماهای بالا و هدایت بهتر، می‌توانند جایگزین مناسبی برای سیلیکون باشند.

در سال‌های اخیر، مواد دوبعدی به یکی از هیجان‌انگیزترین و پیشرفته‌ترین زمینه‌های تحقیقاتی در علم مواد و فناوری نیمه‌رساناها تبدیل شده‌اند. این مواد با ساختاری لایه‌ای و ضخامتی در حد چند اتم یا حتی یک اتم، به‌دلیل ویژگی‌های فیزیکی و الکترونیکی منحصربه‌فردشان، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند.

ساختار دو بعدی این مواد، به آن‌ها ویژگی‌هایی مانند هدایت الکتریکی بالا، پایداری حراراتی و انرژی گاف قابل‌تنظیم داده است که در مواد سنتی مانند سیلیکون دیده نمی‌شوند. پتانسیل این مواد برای ایجاد تحولی شگرف در نحوه‌ی طراحی و عملکرد تراشه‌ها، از افزایش کارایی و کاهش مصرف انرژی تا امکان طراحی دستگاه‌های بسیار کوچک‌تر و سریع‌تر، آن‌ها را به یکی از موضوعات کلیدی در مسیر پیشرفت فناوری ، به‌خصوص تراشه‌ها، تبدیل کرده است.

مواد دوبعدی، به‌لطف ساختار لایه‌ای فوق‌العاده نازک خود، دریچه‌ای به دنیای ترانزیستورهای کوچک و فشرده باز کرده‌اند. این ویژگی امکان افزایش تعداد ترانزیستورها را در هر تراشه فراهم می‌کند. نتیجه؟ تراشه‌هایی با قدرت پردازشی بیشتر در ابعاد کمتر. این پیشرفت، سنگ بنای تحولی بزرگ در فناوری‌هایی مانند هوش مصنوعی، اینترنت اشیا و دستگاه‌های قابل‌حمل است که هر روز به تراشه‌هایی کوچک‌تر، سریع‌تر و کارآمدتر نیاز دارند.

حسین خلیلی صفا

همه‌چیز درباره قانون مور؛ موتور پنهان پیشرفت‌ تکنولوژی

مطالعه '14

مواد دوبعدی با فناوری‌های موجود مانند سیماس (Complementary Metal Oxide Semiconductor یا CMOS) به‌خوبی سازگار هستند. CMOS فرآیندی است که برای طراحی ترانزیستورهای منطقی و مدارهای مجتمع به‌کار می‌رود. سازگاری مواد دوبعدی با فناوری CMOS به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد که بدون نیاز به تغییرات اساسی در زیرساخت‌های تولید، از این مواد در کنار سیلیکون استفاده کنند.

در ادامه، با نگاهی دقیق‌تر به قابلیت‌های استثنایی این مواد، چالش‌های پیش رو در کاربردهای صنعتی آن‌ها و راهکارهای پیشنهادی برای حل این موانع، وارد جزئیات بیشتری خواهیم شد.

گرافن (Graphene)، ماده‌ای شگفت‌انگیز و انقلابی در دنیای علم و فناوری، از لایه‌ی تک‌اتمیِ کربن تشکیل و به‌صورت ساختاری دو‌بعدی و لانه‌زنبوری مرتب شده است. کنستانتین نووسلف (Konstantin Novoselov) و آندره گایم (Andre Geim) این ماده را نخستین بار در سال ۲۰۰۴ کشف کردند. گرافن، ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی فوق‌العاده‌ای دارد که آن را به یکی از جذاب‌ترین گزینه‌ها برای کاربردهای پیشرفته، به ویژه در الکترونیک، تبدیل کرده است.

یکی از حوزه‌های مهم تحقیقاتی پیرامون گرافن، قرار دادن آن به‌جای سیلیکون در ساخت تراشه‌ها است. سیلیکون که دهه‌ها ستون اصلی صنعت نیمه‌رسانا بوده، اکنون با محدودیت‌های عملکردی و فیزیکی فراوانی روبه‌رو شده است، به‌ویژه در مقیاس‌های بسیار کوچک و تراکم‌های بالا. گرافن را با مشخصاتی مانند هدایت الکتریکی استثنایی، پایداری حرارتی بالا و انعطاف‌پذیری مکانیکی می‌توانیم به‌عنوان ماده‌ای ایده‌آل برای عبور از این محدودیت‌ها در نظر بگیریم.

پژوهش‌های بسیاری در دانشگاه‌ها، مراکز تحقیقاتی و شرکت‌های فناوری در حال انجام است تا گرافن را به مرحله‌ای برسانند که بتواند جایگزینی موثر برای سیلیکون در تراشه‌ها و سایر ابزارهای الکترونیکی باشد. این تحقیقات نشان داده‌اند که گرافن می‌تواند انقلابی در طراحی تراشه‌های فوق سریع، کم‌مصرف و کوچک ایجاد کند. با وجود چالش‌های فعلی، پیشرفت‌های مداوم در این زمینه، امید به استفاده از گرافن را در آینده‌ای نزدیک تقویت کرده است.

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در برابر استفاده‌ی گسترده از گرافن در صنعت نیمه‌رساناها، فقدان انرژی گاف (Band gap) در آن است. انرژی گاف در نیمه‌رسانا را می‌توانیم به‌عنوان چراغ راهنمایی‌رانندگی تصور کنیم که جریان الکترون‌ها را کنترل می‌کند.

به‌زبان ساده، انرژی گاف، فاصله‌ای در مواد است که توضیح می‌دهد چرا الکترون‌ها در بعضی مواد مانند فلزات، به‌راحتی حرکت و در برخی دیگر مانند شیشه، حرکت نمی‌کنند. الکترون‌های اطراف اتم‌ها می‌توانند در سطوحِ مختلفِ انرژی قرار بگیرند. این موضوع را کمی بیشتر باز می‌کنیم.

هر اتم از هسته‌ای متشکل از نوترون‌ها و پروتون‌ها تشکیل شده است و تعدادی الکترون در مدارهایی مشخص به‌نام اوربیتال به‌دور هسته حرکت می‌کنند. بیرونی‌ترین مداری که الکترون در آن قرار دارد، لایه‌ی ظرفیت (Valance shell) نام دارد.

وقتی اتم‌ها در یک ماده‌ی جامد کنار هم قرار می‌گیرند، انرژی الکترون‌های این لایه‌ها به‌صورت مجموعه‌ای از سطوح انرژی به هم نزدیک می‌شوند و یک باند انرژی تشکیل می‌دهند که به آن باند ظرفیت (Valence Band) می‌گوییم. الکترون‌های ظرفیت در این باند حضور دارند و در حالت عادی به اتم‌های خود متصل‌ هستند و نمی‌توانند آزادانه در ماده حرکت کنند.

الکترون‌های قرار گرفته در باند ظرفیت، پس از کسب انرژی لازم از منبعی خارجی، می‌توانند از باند ظرفیت خارج و به باند رسانش بروند. به تفاوت انرژی بین باند ظرفیت و باند رسانش، انرژی گاف می‌گوییم. انرژی گاف همان مقدار انرژی است که الکترونِ لایه‌ی ظرفیت برای رفتن به لایه‌ی رسانش نیاز دارد. الکترون، پس از قرار گرفتن در باند رسانش، به‌راحتی و آزادانه می‌تواند در سراسر ماده حرکت کند.

اگر مقدار انرژی گاف زیاد باشد، الکترون به‌راحتی نمی‌تواند از لایه‌ی ظرفیت به رسانش برود. در این حالت، ماده، رسانش الکتریکی بسیار ضعیفی دارد. مقدار انرژی گاف در مواد عایق بسیار زیاد است، بنابراین این مواد رسانای خوبی برای جریان الکتریکی نیستند. این مقدار در موادِ نیمه‌رسانا کمتر است. درنتیجه، الکترون‌های ظرفیت در مواد نیمه‌رسانا با گرفتن انرژی از منبع خارجی، می‌توانند به باند رسانش منتقل شوند.

موادی مانند گرافن و فلزات، انرژی گاف ندارند. در واقع، باندهای ظرفیت و رسانش در این مواد هم‌پوشانی دارند. از این‌رو، الکترون‌ها به‌راحتی می‌توانند به باند رسانش بروند. گرافن بدون انرژی گاف، همانند جاده‌ای بدون چراغ راهنما‌یی‌رانندگی است. در این حالت، الکترون‌ها همواره می‌توانند آزادانه و بدون وجود مانع، حرکت کنند. دلیل رسانشِ بسیار بالای گرافن به این موضوع برمی‌گردد.

در نیمه‌رساناها، جریان الکتریکی به‌وسیله‌ی دو نوع حامل جریان ایجاد می‌شود: الکترون‌های آزاد و حفره‌ها. اتم‌های پس از ترکیب با یکدیگر، ماده‌ای جامد و بلوری تشکیل می‌دهند. به‌عنوان مثال، در ماده‌ای مانند سیلیکون، هر اتم سیلیکون با چهار اتم سیلیکونِ دیگر پیوند کووالانسی برقرار می‌کند. این پیوندها به‌صورت منظم در یک الگوی بلوری تکرار می‌شوند.

در دمای اتاق، بلور سیلیکون مقداری انرژی گرمایی از محیط جذب می‌کند. این انرژی برای تحریک برخی الکترون‌های موجود در باند ظرفیت و فرستادن آن‌ها به باند رسانش، کافی است. وقتی چنین اتفاقی می‌افتد:

• الکترون با رفتن به باند رسانش، به الکترونی آزاد تبدیل می‌شود که آزادانه در ماده حرکت و جریان الکتریکی ایجاد می‌کند.
• با رفتن الکترون از باند ظرفیت، یک جای خالی ایجاد می‌شود که به آن حفره می‌گوییم. این حفره همانند یک فضای خالی است که الکترون‌های دیگر می‌توانند آن را پر کنند.

الکترون‌هایی که به باند رسانش می‌روند، آزادانه در ماده حرکت می‌کنند. این الکترون‌ها همانند الکترون‌های داخل سیم‌های فلزی عمل می‌کنند و با حرکت آزادانه‌ی خود، باعث ایجاد جریان الکتریکی می‌شوند. حرکت آن‌ها در پاسخ به یک میدان الکتریکی، اصلی‌ترین دلیل رسانایی در مواد نیمه‌رسانا است.

حفره‌ها، که همان جای خالی باقی‌مانده از الکترون‌ها در باند ظرفیت هستند، نیز به‌نوعی در ایجاد جریان الکتریکی نقش دارند. وقتی الکترونی از پیوند کووالانسی مجاور می‌خواهد حفره‌ای را پر کند، این‌گونه به‌نظر می‌رسد که حفره در جهت مخالف الکترون حرکت می‌کند. این حرکت پیوسته‌ی حفره‌ها، مشابهِ حرکت واقعی یک ذره است.

جریان در نیمه‌رساناها به‌کمک روش‌هایی مانند افزودن ناخالصی، اعمال میدان الکتریکی، ایجاد اتصالات p-n و استفاده از دما یا نور کنترل می‌شود. این قابلیتِ تنظیم، نیمه‌رساناها را به یکی از مهم‌ترین مواد در فناوری‌های الکترونیکی مدرن تبدیل کرده است. بنابراین، گرافن، بدون انرژی گاف، ماده‌ی مناسبی برای استفاده در تراشه‌های کامپیوتری نیست و به‌هنگام نیاز نمی‌توانیم جریان الکترون‌ها را در گرافن، کنترل یا متوقف کنیم.

جریان ثابت الکترون‌ها برای برخی کاربردها، بسیار عالی است، اما در برخی وسایل الکتریکی مانند تراشه‌های کامپیوتری یا کلیدهای دیجیتالی، نه‌تنها کاربردی ندارد، بلکه حتی مشکل‌زا نیز خواهد بود. برای ما مهم است که چگونگی و زمان حرکت الکترون‌ها را در این وسایل الکتریکی، کنترل کنیم. گرافن، با انرژی گافِ صفر، هیچ کنترلی روی جریان و حرکت الکترون‌ها ندارد. این ویژگی، کاربرد گرافن را در مواردی که نیاز به کنترل دقیق جریان الکتریکی دارند، محدود می‌کند.

این دستاورد به دانشمندان اجازه داد تا گرافن را به نیمه‌رسانایی با کیفیت بالا تبدیل کنند که می‌تواند جریان الکترون‌ها را با دقتی بی‌نظیر کنترل کند. گرافن نیمه‌رسانا، ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارد:

• سرعت خارق‌العاده: تحرک‌پذیری الکترون‌ها در گرافن نیمه‌رسانا بیش از ۵۰۰۰ سانتی‌متر بر ولت‌ثانیه و این مقدار حدودا ۲۰ برابر سریع‌تر از نیمه‌رساناهای دوبعدی دیگر و حتی سیلیکون است. این به‌معنای ساخت پردازنده‌هایی است که می‌توانند محاسبات پیچیده را ۲۰ برابر سریع‌تر انجام دهند.
• پایداری و سازگاری بالا:‌ گرافنِ نیمه‌رسانای ساخته شده‌، بسیار پایدار و با سایر لایه‌های گرافن سازگار است، به‌طوری‌که می‌توان طراحی‌های دقیق و پیچیده را برای ساخت دستگاه‌های پیشرفته انجام داد.
• کاربردهای گسترده: گرافن نیمه‌رسانا، پتانسیل ایجاد تحولی چشمگیر را در حوزه‌هایی مانند ارتباطات مخابراتی، پردازش‌های کامپیوتری و ذخیره‌سازی انرژی دارد. با استفاده از این ماده می‌توان دستگاه‌هایی ساخت که کوچک‌تر، سبک‌تر و قدرتمندتر از هر زمان دیگری هستند و می‌توانند شیوه‌ی زندگی روزمره را به شکلی بنیادین متحول کنند.

این کشف هنوز در مراحل اولیه قرار دارد، اما دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که طی ۱۰ تا ۱۵ سال آینده به تولید انبوه برسد.

گرافن به‌عنوان یکی از شگفت‌انگیزترین مواد دوبعدی، یکی از گزینه‌های اصلی برای جایگزینی سیلیکون است، اما تنها گزینه نیست. پژوهشگران در جستجوی مواد دوبعدی دیگری هستند که برخی از محدودیت‌های گرافن، مانند فقدان انرژی گاف را نداشته باشند و بتوانند قابلیت‌های متفاوت یا مکملی ارائه دهند. در این بخش، به بررسی دقیق‌تر دیگر مواد دوبعدی، ویژگی‌های منحصربه‌فرد و کاربردهای آن‌ها در ساخت تراشه‌ها و فناوری‌های پیشرفته می‌پردازیم.

مواد دوبعدی از خانواده دی‌کالکوژنایدهای فلزات واسطه (TMDCs) مانند مولیبدن دی‌سولفید (MoS2)، تنگستن دی‌سولفید (WS2) و تنگستن دی‌سلنید (WSe2) به‌دلیل خواص منحصربه‌فرد خود، توجه بسیاری را در حوزه‌ی طراحی تراشه‌ها جلب کرده‌اند.

برخلاف گرافن با انرژی گافِ صفر، مقدار انرژی گافِ TMDCها مانند MoS2 در محدوده‌ی ۰٫۹ تا ۱٫۶ الکترون‌ولت، WS2 در محدوده‌ی ۱٫۲۹ تا ۲٫۵ الکترون‌ولت و WSe2 حدود ۱٫۳۵ الکترون‌ولت است. بنابراین، از این مواد می‌توان در ترانزیستورهای اثر میدانی (Field Effect Transistor یا FET) استفاده کرد.

ترانزیستورهای MoS2 برای کنترل جریان الکتریکی در مدارها به‌کار می‌روند. این کنترل، مشابه یک کلید، با روشن و خاموش کردن مسیرِ عبور جریان، انجام می‌شود. اگر نسبتِ روشن به خاموش، بزرگ باشد، ترانزیستور در حالت روشن جریان زیادی را عبور می‌دهد و در حالت خاموش، جریان عبوری تقریبا صفر خواهد بود. این موضوع به‌معنای عملکردِ دقیق‌تر و کاهشِ نشت جریان در مدارها است.

این ویژگی برای مدارهای دیجیتالی بسیار مهم است، زیرا آن‌ها به روشن و خاموش شدن دقیق نیاز دارند تا بتوانند سیگنال‌های صفر و یک (بیت‌های دیجیتال) را به‌درستی پردازش کنند. ترانزیستورهای ساخته‌شده از MoS2، حتی با طول گیت بسیار کوچک (۱ نانومتر)، قادر به حفظ این نسبت بالا هستند.

TMDCها به‌دلیل ساختار دوبعدی، سطح صاف و نبود پیوندهای اضافی در سطح، الکترون‌ها را به‌صورت موثرتری هدایت می‌کنند. به‌عنوان مثال، ترانزیستورهای ساخته شده از MoS2 با روش رسوب شیمیایی بخار (Chemical Vapor Deposition یا CDV)، تحرک‌پذیری الکترونی بالایی دارند که برای تراشه‌های نانومتری بسیار ارزشمند است.

سیلیکون، ماده‌ی اصلی تراشه‌های سنتی، در ابعاد کمتر از ۵ نانومتر با مشکلات جدی روبرو می‌شود و به‌دلیل پراکندگی الکترون‌ها در این ابعاد، این ماده کارایی خود را به‌شدت از دست می‌دهد. اما TMDCها در این ابعاد، عملکرد بهینه و پایداری بالاتری دارند.

ساختار ورقه‌ای و فوق‌العاده نازک TMDCها به ما این امکان را می‌دهد که ترانزیستورهایی کوچک‌تر و فشرده‌تر طراحی کنیم. به‌عنوان مثال، در ترانزیستورهای عمودی ساخته شده از MoS2 با طول کانالِ کمتر از یک نانومتر، ابعاد تراشه‌ها، بدون افت عملکرد آن‌ها، به‌شکل قابل‌توجهی کاهش یافته‌اند.

باوجود مزیت‌های گفته شده، استفاده از TMCDها برای ساخت تراشه، با چالش‌هایی همراه است:

• تولید مواد تک‌لایه‌ی یکنواخت و با کیفیتِ بالا، دشوار است.
• مقاومت تماسی بالا

برای غلبه بر این چالش‌ها، پژوهشگران به استفاده از روش‌هایی مانند لایه‌نشانی شیمیایی پیشرفته (MOCVD) رو آورده‌اند تا بتوانند در آینده‌ای نزدیک، موادی با کیفیت بالا در مقیاس صنعتی تولید کنند.

فسفر سیاه (‌Black Phosphorus) یکی از مواد نوظهور در دنیای فناوری نانو است که پتانسیل بالایی برای ساخت تراشه‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی دارد. این ماده، ساختاری لایه‌ای شبیه به گرافیت دارد که اتم‌های فسفر به صورت سه‌بعدی و به شکل لانه‌ی زنبور، به یکدیگر متصل شده‌اند. برخلاف گرافن که نیمه‌رسانا نیست، فسفر سیاه یک نیمه‌رسانای واقعی است و گاف نواری مستقیم دارد. این ویژگی، آن را به ماده‌ای مناسب برای ترانزیستورها و دستگاه‌های اُپتوالکترونیکی تبدیل کرده است.

مقدار انرژی گافِ فسفرِ سیاه به ضخامت آن بستگی دارد و بین ۰٫۳ الکترون‌ولت در حالت بالک (حجیم) و ۲ الکترون‌ولت در حالت تک‌لایه‌ای تغییر می‌کند. گاف نواری مستقیم و قابل‌تنظیم فسفر سیاه، آن را به ماده‌ای جذاب برای ساختِ ترانزیستورهای پرسرعت و کم‌مصرف استفاده تبدیل کرده است.

برای ساخت ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) با فسفر سیاه، بلورهای این ماده تحت دما و فشار بالا ساخته می‌شوند. سپس، با استفاده از تکنیکی ساده اما موثر به نام لایه‌برداری مکانیکی (Mechanical Exfoliation)، ورقه‌های بسیار نازکِ این ماده جدا می‌شوند و روی ویفرهای سیلیکونی قرار می‌گیرند.

ترانزیستورهای ساخته شده با فسفر سیاه، در دمای اتاق عملکرد بسیار خوبی دارند. در این ترانزیستورها می‌توان جریان را با اعمال تغییر کوچکی در ولتاژ گیت، خاموش و روشن کرد. ویژگی جذابِ دیگر فسفر سیاه، رفتار هردوقطبی یا آمبیپولار (Ambipolar) است. در این حالت، با تغییر ولتاژ گیت، ترانزیستور می‌تواند الکترون‌ها و حفره‌ها را عبور دهد.

تحرک‌پذیری یا سرعت حرکت الکترون‌ها در فسفر سیاه، بیشتر از مواد دوبعدی دیگر است و وابسته به ضخامت آن، تغییر می‌کند. به‌عنوان مثال، ورقه‌های با ضخامت ۱۰ نانومتر، تحرک‌پذیری بالا و ورقه‌های نازک‌تر به‌دلیل تاثیر ناخالصی‌ها، تحرک‌پذیری کمتری دارند.

علی‌رغم مزیت‌های عنوان شده، نباید فراموش کنیم که فسفر سیاه در صورت تماس با هوا و رطوبت، به‌سرعت تجزیه می‌شود که درنتیجه‌ی آن، خواص الکتریکی ویژه‌ی این ماده به‌شدت افت می‌کنند. همچنین، برای تولید لایه‌های نازک و باکیفیت به فناوری‌های پیشرفته‌ای با هزینه‌ی بسیار بالا نیاز است.

نیترید بور (h-BN) با ساختار شش‌ضلعی منظم، یکی از جذاب‌ترین مواد دوبعدی و گزینه‌‌ی ایده‌آلی برای استفاده در ترانزیستورهای اثر میدان، به‌عنوان لایه‌ی دی‌الکتریک است. این ماده‌ی عایق، عملکرد بسیار بهتری نسبت به موادِ عایق رایج مانند سیلیکون دی‌اکسید (SiO2) دارد و مشکلاتی مانند نشتی جریان و افت کارایی را در ابعادِ کوچک‌تر از ۱۰ نانومتر کاهش می‌دهد.

نیترید بور در دماهای بالا، پایداری خوبی از خود نشان می‌دهد و رسانای بسیار خوبی برای گرما است. درنتیجه، به افزایش طول عمر و کارایی تراشه‌ها کمک بزرگی می‌کند. همچنین، این ماده با افت انرژی بسیار کم، پتانسیل بالایی برای استفاده در مدارهای کوانتومی و کیوبیت‌ها دارد. این ویژگی می‌تواند انقلابی در زمینه‌ی محاسبات کوانتومی ایجاد کند.

باوجود تمام مزیت‌ها، چالش‌هایی مانند هزینه‌ی بالای تولید و کنترل کیفیت در مقیاس صنعتی، همچنان پابرجا است.

مکسین (MXene)، یکی از شگفت‌انگیزترین مواد دوبعدی، به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردش، در حوزه‌ی نیمه‌رساناها و ساخت تراشه‌ها توجه زیادی را به‌خود جلب کرده است. مکسین از خانواده‌ی کربیدها، نیتریدها و کربونیتریدهای دوبعدی تشکیل شده است و به‌کمک فرآیندهای شیمیایی پیشرفته تولید می‌شود. این ماده ساختاری لایه‌ای مشابه گرافیت دارد که آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای فناوری‌های پیشرفته‌ی تراشه‌سازی تبدیل کرده است.

تراشه‌های ساخته شده با مکسین، سرعت پردازش بیشتر و مصرف انرژی کمتری دارند. همچنین، خواص الکتریکی این ماده را می‌توان به‌خوبی تنظیم و با تغییر ترکیب شیمیایی یا ساختار لایه‌ای، آن را برای کاربردهای خاص بهینه کرد. انعطاف‌پذیری، مکسین را به گزینه‌ای مناسب برای طراحی تراشه‌های سفارشی با عملکردهای ویژه تبدیل کرده است. به‌علاوه، مکسین را به‌راحتی می‌توانیم با فناوری‌های فعلی تولید تراشه مانند CMOS تولید کنیم. این سازگاری به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد که بدون نیاز به تغییرات اساسی در زیرساخت‌های موجود، از این ماده در کنار سیلیکون استفاده و نسل جدیدی از تراشه‌ها را با کارایی بالا و هزینه‌ی کمتر تولید کنند.

یکی از مهم‌ترین کاربردهای مکسین در صنعت الکترونیک، طراحی تراشه‌‌ی حافظه‌ی غیرفرار است. همچنین، از این ماده، به‌دلیل ویژگی‌های الکترونیکی پایدار، در حافظه‌های مقاومتی (Resistive Memories) استفاده می‌کنیم. این نوع حافظه‌ها به دلیل کارایی بالا و طول عمر طولانی، نقش مهمی در افزایش قابلیت‌های دستگاه‌های هوشمند دارند.

با وجود تمامی این مزایا، مکسین همچنان با چالش‌هایی مانند بهبود روش‌های تولید در مقیاس صنعتی و پایداری بلندمدت روبه‌رو است. اما تحقیقات مستمر در این زمینه نشان می‌دهد که مکسین می‌تواند نقش کلیدی در آینده‌ی تراشه‌ها و فناوری‌های مرتبط داشته باشد.

امروزه، نیمه‌رساناها به جزیی جداناپذیر از صنعت الکترونیک تبدیل شده‌اند. همان‌طور که تا اینجا فهمیدیم، با کوچک‌ شدن ابعاد تراشه‌ها، پژوهشگران دنبال جایگزینی مناسب برای سیلیکون هستند. علاوه بر مواد دوبعدی، مواد دیگری مانند نیترید گالیوم (GaN) و سیلیکون کاربید (SiC) نیز وجود دارند که جایگزین‌های مناسبی برای سیلیکون به‌نظر می‌رسند.

سیلیکون کاربید (SiC)، ترکیبی از عناصر سیلیکون و کربن، با خواص برجسته‌‌ی خود توانسته است بسیاری از محدودیت‌های سیلیکون، مانند اتلاف حرارتی زیاد و کارایی پایین در تبدیل انرژی را برطرف کند. این ماده با داشتن گاف انرژی بزرگ‌تر، امکان انتقال انرژی با بهره‌وری بیشتر را فراهم می‌کند و در شرایط سخت مانند دماهای بالا و ولتاژهای شدید، عملکردی پایدار و قابل‌اعتماد ارائه می‌دهد.

یکی از مهم‌ترین کاربردهای این ماده در صنعت خودروهای الکتریکی است. به‌عنوان مثال، در سال ۲۰۱۷ شرکت تسلا با استفاده از مبدل‌های مبتنی بر سیلیکون کاربید، موفق به بهبود راندمان خودروهای الکتریکی خود شد. این فناوری سبب افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش اتلاف آن شد و برد خودروها را تا حدود ۱۵ درصد افزایش داد.

فرآیند تولید سیلیکون کاربید پیچیده و هزینه‌ی تولید آن به‌مراتب بالاتر از سیلیکون است. همچنین، به‌دلیل خواص ویژه‌ی این ماده، تولید تراشه‌های مبتنی بر آن نیز چالش‌برانگیز خواهد بود.

صنعت تراشه در لحظه‌ای سرنوشت‌ساز قرار دارد و سیلیکون که دهه‌ها پایه‌ی اصلی این صنعت بوده، اکنون به محدودیت‌های فیزیکی و عملکردی خود رسیده است. با کوچک‌تر شدن ترانزیستورها و نیاز روزافزون به تراشه‌هایی با سرعت بالاتر و مصرف انرژی کمتر، نیاز به جایگزین‌های جدید، بیش از پیش احساس می‌شود.

موادی مانند گرافن، مکسین، فسفر سیاه و سیلیکون کاربید، با ویژگی‌های منحصربه‌فردشان، توانسته‌اند جایگزین‌های امیدوارکننده‌ای برای سیلیکون باشند. این مواد، به لطف گاف انرژی قابل تنظیم، هدایت الکتریکی بالا و پایداری حرارتی می‌توانند نه تنها چالش‌های سیلیکون را برطرف، بلکه امکان طراحی تراشه‌هایی پیشرفته‌تر را نیز فراهم کنند.

هرکدام از این مواد نقشی کلیدی در آینده‌ی فناوری تراشه‌ها دارند: گرافن با رسانایی بی‌نظیر خود، فسفر سیاه با انرژی گافِ تنظیم‌پذیر و مکسین با قابلیت‌های چندمنظوره. کاربردهای این مواد از خودروهای الکتریکی و انرژی‌های تجدیدپذیر گرفته تا حسگرهای زیستی و محاسبات کوانتومی، نوید انقلابی بزرگ را در دنیای الکترونیک می‌دهد.

با وجود چالش‌هایی مانند هزینه‌ی تولید بالا و نیاز به فناوری‌های پیچیده‌تر برای تولید انبوه، پژوهشگران به‌طور مداوم در حال یافتن راهکارهای نوآورانه برای بهبود این مواد هستند. آینده‌ای نزدیک را می‌توان تصور کرد که در آن تراشه‌ها کوچک‌تر، سریع‌تر و هوشمندتر از همیشه خواهند بود. این تحول عظیم به لطف موادی ممکن می‌شود که همین امروز در آزمایشگاه‌ها توسعه می‌یابند و به‌زودی عصر جدیدی را در فناوری رقم خواهند زد.