Le phosphore noir pourrait-il être l'avenir des micropuces?

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Le graphène est depuis longtemps considéré comme l'avenir des processeurs informatiques et de l'électronique. Cependant, au cours des deux dernières années, des matériaux cristallins remarquables à deux dimensions ont vu le jour. Un nouveau challenger est le phosphore noir. Cette semaine, une équipe de recherche coréenne a découvert comment créer une bande interdite réglable dans le matériau, lui permettant d'être utilisé comme semi-conducteur, et (potentiellement) un remplacement supérieur pour le silicium.

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Phosphore noir

Comme le graphène, le phosphore noir peut être séparé en feuilles d'une épaisseur d'un atome. Ces feuilles sont connues sous le nom de phosphorène, mais contrairement au graphène, ces couches agissent comme

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Production

Le phosphore noir est un allotrope thermodynamiquement stable de l'élément, le phosphore. Stable à température ambiante, le phosphore noir n’est pas une substance «naturelle» et n’est obtenu qu’en chauffant du phosphore blanc sous une pression extrêmement élevée, quelque 12 000 atmosphères. Les cristaux de phosphore noir résultants comportent des couches de nid d'abeilles froncées, avec distance intercouche de 0,5 nanomètre Vous ne le croirez pas: la recherche future de DARPA sur les ordinateurs avancésLa DARPA est l'une des parties les plus fascinantes et secrètes du gouvernement américain. Voici quelques-uns des projets les plus avancés de DARPA qui promettent de transformer le monde de la technologie. Lire la suite , une autre caractéristique similaire au graphène.

Une fois créé, le phosphore noir est difficile à fabriquer en grande quantité à la largeur spécifiée. La méthode traditionnelle, également appliquée à d'autres matériaux bidimensionnels, est celle de l'exfoliation mécanique. Dans ce processus extrêmement lent, les chercheurs écrasent une quantité de phosphore noir en un comprimé poudre, puis utilisez du ruban adhésif pour décoller lentement les couches jusqu'à ce qu'elles créent un film juste quelques couches épais. Il est limité et se limite à la fois à la fabrication et à la recherche.

Réalisant à quel point cette méthode est restrictive, Mark C. Hersam, chimiste à la Northwestern University, a développé un nouvelle technique utilisant la chimie des solutions pour accélérer la production. Ils placent un cristal de phosphore noir et un solvant au fond d'un tube à ultrasons, qui utilise une pointe métallique à vibration rapide pour agiter le liquide.

L'action sonore qui en résulte, combinée au solvant, sépare le phosphore noir dans les feuilles d'épaisseur nanométrique requises, en suspension dans le liquide. Les chercheurs peuvent ensuite appliquer cette «encre» sur les surfaces par rotation, créant une distribution aléatoire de fines lamelles de phosphore noir.

Alors que la technique d'ultrasonication produit un rendement légèrement supérieur et est un processus plus rapide, la distribution aléatoire est quelque peu problématique. Pour créer des transistors vraiment efficaces en utilisant du phosphore noir, les chercheurs et les ingénieurs doivent être capables de spin-coater les surfaces avec une précision beaucoup plus grande. C'est le prochain objectif pour les chercheurs.

Écart de bande

Un avantage majeur de l'attrait du phosphore noir est sa bande interdite naturelle. La bande interdite, ou gap d'énergie, est ce qui sépare les matériaux conducteurs des semi-conducteurs. Cela fonctionne comme ceci:

• Le graphène est un excellent conducteur, ce qui le rend attrayant pour les processeurs informatiques. Peu de résistance signifie peu de chaleur. Malheureusement, nous ne savons pas encore comment le mettre dans un état non conducteur. Les transistors en graphène ne peuvent pas s'éteindre. Bien qu'il puisse y avoir des moyens de résoudre ce problème, personne ne les a encore résolus.
• Le phosphore noir est également un excellent conducteur, mais il a également un écart d'énergie, ce qui signifie que la quantité d'énergie traversant le matériau peut être commutée entre conductrice et isolante. En dopant le phosphore noir, vous pouvez facilement créer des transistors traditionnels. Vous pouvez également le régler pour produire des comportements vraiment spécifiques, permettant des circuits électroniques exotiques.

C'est cette large bande interdite qui remplit scientifiques des matériaux Comment l'impression 3D pourrait être possible un jourComment fonctionne la bio-impression? Que peut-on imprimer? Et pourra-t-on jamais imprimer un être humain à part entière? Lire la suite avec excitation. Ceci, combiné à la haute sensibilité photoélectrique du phosphore noir, pourrait voir le semi-conducteur utilisé dans tout, de la détection chimique aux circuits optiques.

Circuit optique

Le phosphore noir est également appelé semi-conducteur à «bande directe». Il s'agit d'une propriété rare, ce qui signifie que le matériau peut convertir efficacement et efficacement les signaux électriques en lumière, ce qui en fait un candidat de choix pour la communication optique sur puce. Nathan Youngblood, étudiant diplômé du Département de génie électrique et informatique de l'Université du Minnesota, dont le document sur le phosphore noir présenté dans Photonique Nature estime:

«Il est vraiment excitant de penser à un seul matériau qui peut être utilisé pour envoyer et recevoir des données optiquement et n'est pas limité à un substrat ou une longueur d'onde spécifique. Cela pourrait avoir un énorme potentiel de communication à haut débit entre les cœurs de processeur, qui est actuellement un goulot d'étranglement dans l'industrie informatique en ce moment. "

Un remplacement de silicium?

Alors que la Silicon Valley devrait être renommée, le phosphore noir pourrait être le matériau pour porter la conception du processeur vers de nouveaux sommets. Idéalement, le phosphore noir abaissera la tension de fonctionnement des transistors recouverts de l’encre susmentionnée. Cela réduira la chaleur produit pendant l'utilisation, permettant aux processeurs d'être cadencés plus rapidement sans surchauffe, un processus qui a largement bloqué en faveur de l'ajout de plus noyaux. Cela augmenterait l'efficacité des puces et, plus important encore, la puissance de traitement globale.

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Devrions-nous être excités?

Oui bien sûr. Nous parlons littéralement de l'avenir potentiel de l'informatique et de la communication optique. Nous ne devons cependant pas nous réjouir et sauter à bord d'un train de battage médiatique Black Phosphorus, car ce sera un long voyage sans fin définitive en vue. Des matériaux incroyables comme le phosphore noir, comme le graphène, comme le bisulfure de molybdène sont tous prêts à changer l'avenir. Mais pas aussi rapidement que nous le souhaiterions.

Êtes-vous enthousiasmé par les matériaux futuristes? Ou est-ce tout simplement un battage médiatique? Dites-nous ce que vous en pensez!

Crédits image: poudre noire par Fablok via Shutterstock, Allotropes de phosphore, Ampoule au phosphore noir, Structure du phosphore, Puce DWave le tout via Wikimedia Commons, Microchip via Flickr