¿Podría el fósforo negro ser el futuro de los microchips?

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El grafeno ha sido visto durante mucho tiempo como el futuro de los procesadores de computadoras y la electrónica. Sin embargo, en los últimos años, han surgido algunos materiales de cristal de dos dimensiones notables. Un nuevo retador es el fósforo negro. Esta semana, un equipo de investigación coreano ha descubierto cómo crear una brecha de banda sintonizable en el material, lo que permite su uso como semiconductor y (potencialmente) un reemplazo superior para el silicio.

¿Qué significa esto para los semiconductores, y el futuro del grafeno La última tecnología informática que debes ver para creerEcha un vistazo a algunas de las últimas tecnologías informáticas que están preparadas para transformar el mundo de la electrónica y las PC en los próximos años. Lee mas ? ¡Vamos a averiguar!

Fósforo negro

Al igual que el grafeno, el fósforo negro se puede separar en láminas de un átomo de espesor. Estas láminas se conocen como fosforeno, pero a diferencia del grafeno, estas capas actúan como

un excelente semiconductor que puede encenderse y apagarse fácilmente, con suerte bajando sustancialmente requisitos de energía para una nueva generación 8 nuevas e increíbles formas de generar electricidadLa energía alternativa es uno de los aumentos, pero es posible que no conozca todas las opciones. Estas son algunas de las nuevas formas más locas de generar energía. Lee mas de transistores ultraconductores. El grafeno es extremadamente conductor, pero carece de una brecha de banda natural, y aquí es donde el fósforo negro podría intervenir.

Producción

El fósforo negro es un alótropo termodinámicamente estable del elemento fósforo. Estable a temperatura ambiente, el fósforo negro no es una sustancia "natural" y solo se obtiene calentando fósforo blanco a una presión extremadamente alta, unas 12,000 atmósferas. Los cristales de fósforo negro resultantes presentan capas de panal arrugadas, con distancia entre capas de 0,5 nanómetros No lo creerás: DARPA Future Research en computadoras avanzadasDARPA es una de las partes más fascinantes y secretas del gobierno de los EE. UU. Los siguientes son algunos de los proyectos más avanzados de DARPA que prometen transformar el mundo de la tecnología. Lee mas , otra característica similar al grafeno.

Una vez creado, el fósforo negro es difícil de fabricar en grandes cantidades en el ancho especificado. El método tradicional, también aplicado a otros materiales bidimensionales, es el de la exfoliación mecánica. En este proceso minuciosamente lento, los investigadores trituran una cantidad de fósforo negro en un comprimido polvo, luego use cinta adhesiva para despegar lentamente las capas hasta que formen una película solo unas pocas capas grueso. Es limitado y limitante tanto para la fabricación como para la investigación.

Al darse cuenta de cuán restrictivo es este método, Mark C. Hersam, químico de la Universidad Northwestern, desarrolló un nueva técnica utilizando química de soluciones para acelerar la producción. Colocan un cristal de fósforo negro y un solvente en el fondo de un tubo ultrasónico, que utiliza una punta de metal que vibra rápidamente para agitar el líquido.

La acción sónica resultante, combinada con el disolvente, separa el fósforo negro en las láminas gruesas de nanómetros requeridas, suspendidas dentro del líquido. Luego, los investigadores pueden aplicar una capa de esta "tinta" a las superficies, creando una distribución aleatoria de finas escamas de fósforo negro.

Si bien la técnica de ultrasonidos produce un rendimiento ligeramente mayor y es un proceso más rápido, la distribución aleatoria es algo problemática. Para crear transistores verdaderamente eficientes utilizando fósforo negro, los investigadores e ingenieros deben poder recubrir las superficies con una precisión mucho mayor. Este es el próximo objetivo para los investigadores.

Brecha de banda

Una ventaja importante del atractivo del fósforo negro es su brecha de banda natural. La brecha de banda o brecha de energía es lo que separa los materiales conductores de los semiconductores. Funciona así:

• El grafeno es un excelente conductor, que es lo que lo hace atractivo para los procesadores de computadora. Poca resistencia significa poco calor. Desafortunadamente, todavía no sabemos cómo cambiarlo a un estado no conductivo. Los transistores de grafeno no se pueden apagar. Si bien puede haber formas de resolver este problema, nadie los ha resuelto todavía.
• El fósforo negro también es un excelente conductor, pero también tiene una brecha de energía, lo que significa que la cantidad de energía que pasa a través del material puede cambiarse entre conducción y aislamiento. Al dopar el fósforo negro, puede crear fácilmente transistores tradicionales. También puede ajustarlo para producir comportamientos realmente específicos, lo que permite circuitos electrónicos exóticos.

Es esta brecha de banda de gran alcance que llena científicos de materiales Cómo los seres humanos de impresión 3D podrían ser posibles algún día¿Cómo funciona la bioimpresión? ¿Qué se puede imprimir? ¿Y alguna vez podrá imprimir un ser humano completo? Lee mas Con emoción. Esto, combinado con la alta fotosensibilidad del fósforo negro, podría ver el semiconductor utilizado en todo, desde la detección química hasta los circuitos ópticos.

Circuitería óptica

El fósforo negro también se conoce como semiconductor de "banda directa". Esta es una propiedad poco común, lo que significa que el material puede convertir de manera efectiva y eficiente las señales eléctricas de nuevo en luz, lo que lo convierte en el principal candidato para la comunicación óptica en chip. Nathan Youngblood, estudiante de posgrado del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota, cuyo trabajo sobre fósforo negro presentado en Nature Photonics cree:

“Es realmente emocionante pensar en un solo material que se pueda usar para enviar y recibir datos ópticamente y no se limite a un sustrato específico o longitud de onda. Esto podría tener un enorme potencial para la comunicación de alta velocidad entre núcleos de CPU, que actualmente es un cuello de botella en la industria informática en este momento ".

¿Un reemplazo de silicio?

Si bien sería necesario cambiar el nombre de Silicon Valley, el fósforo negro podría ser el material para llevar el diseño del procesador a nuevas alturas. Idealmente, el fósforo negro reducirá el voltaje de funcionamiento de los transistores recubiertos con la "tinta" antes mencionada. Esto reducirá el calor producido durante el uso, lo que permite que los procesadores se registren más rápido sin sobrecalentarse, un proceso que se ha estancado en gran medida a favor de agregar más núcleos Esto aumentaría la eficiencia del chip y, lo más importante, la potencia de procesamiento general.

La ley de Moore bien puede continuar 7nm IBM Chip duplica el rendimiento, prueba la ley de Moore hasta 2018Una serie de límites físicos fundamentales están convergiendo para detener el progreso de los chips de computadora de silicio tradicionales. Un avance radicalmente nuevo podría ayudar a estirar los límites un poco más. Lee mas ¡como se planeó!

No solo los transistores podrían beneficiarse del fósforo negro. Otras aplicaciones dentro de la electrónica incluyen: paneles solares, celdas solares Eficiente. Barato. Increíble. He aquí por qué importan las nuevas células solares en aerosolEl costo de la energía solar se reducirá precipitadamente después de que un equipo de científicos que trabajan en el La Universidad de Sheffield en el Reino Unido anunció el desarrollo de células solares utilizando un spray proceso. Lee mas , baterías Tecnologías de batería que van a cambiar el mundoLa tecnología de la batería ha estado creciendo más lentamente que otras tecnologías, y ahora es el polo de la tienda de campaña en un número asombroso de industrias. ¿Cuál será el futuro de la tecnología de baterías? Lee mas , interruptores, sensores y más. Pero como con la mayoría de los materiales maravillosos, trabajar, investigar y implementación de materiales a nivel atómico Computadoras cuánticas: ¿El fin de la criptografía?La computación cuántica como idea ha existido por un tiempo: la posibilidad teórica se introdujo originalmente en 1982. En los últimos años, el campo se ha ido acercando a la practicidad. Lee mas llevará tiempo, así que no esperes una computadora optoelectrónica ¿Cómo funcionan las computadoras ópticas y cuánticas?La era de Exascale se acerca. ¿Sabes cómo funcionan las computadoras ópticas y cuánticas, y estas nuevas tecnologías se convertirán en nuestro futuro? Lee mas jugando Minecraft La guía para principiantes (recién llegados) de MinecraftSin embargo, si llegas tarde a la fiesta, no te preocupes: esta extensa guía para principiantes te tiene cubierto. Lee mas en cualquier momento.

¿Deberíamos estar emocionados?

Sí, por supuesto. Estamos literalmente hablando sobre el futuro potencial de la comunicación informática y óptica. Sin embargo, no deberíamos alegrarnos y saltar a bordo de un exagerado tren de fósforo negro, porque será un viaje largo y antiguo sin un final definitivo a la vista. Materiales sorprendentes como el fósforo negro, como el grafeno, como el disulfuro de molibdeno están listos para cambiar el futuro. Simplemente no tan rápido como nos gustaría.

¿Te entusiasman los materiales futuristas? ¿O es todo un montón de bombo? ¡Háganos saber lo que piensas!

Créditos de imagen: polvo negro por Fablok a través de Shutterstock, Alótropos de Fósforo, Ampolla de fósforo negro, Estructura de fósforo, DWave Chip todo a través de Wikimedia Commons, Microchip a través de Flickr