Исследователи используют силу крошечных дефектов в невероятно тонком материале, чтобы однажды создать компьютерные чипы, которые будут быстрее и эффективнее традиционных кремниевых полупроводниковых платформ.
Этот тип «двумерного» материала, известный как дихалькогенид переходного металла (transition-metal dichalcogenide, или TMD), может иметь толщину всего в несколько атомов. Компьютерные микросхемы, изготовленные из этих ультратонких полупроводников, могут способствовать разработке более компактных и быстрых устройств, упаковывая гораздо больше вычислительной мощности на меньшую поверхность.
В исследовании, опубликованном 24 мая в журнале 2D Materials, команда Халида исследовала, может ли использование TMD вместо кремния решить проблему, согласно которой инновации в области кремниевых чипов, возможно, достигают своего пика.
Самые тонкие TMD имеют толщину всего три атома и расположены как сэндвич. «Хлеб» состоит из атомов халькогена — элементов 16-й группы таблицы Менделеева, таких как кислород или сера. Атомы же переходных металлов — из групп 3-12 — составляют «начинку».
Учёные исследовали, могут ли они использовать крошечные, размером с атом, несовершенства, называемые дефектами, в немного более толстых TMD.
И хотя большинство атомов в TMD расположены в упорядоченные, ровные структуры, иногда атом отсутствует или находится не на своём месте. Несмотря на название, дефекты не обязательно являются чем-то плохим, отметили учёные в исследовании. Например, некоторые дефекты делают TMD более электропроводными.
Чтобы воспользоваться положительными эффектами дефектов и уменьшить любые негативные последствия, учёным необходимо было понять, как возникают дефекты и как они влияют на характеристики материала. В своём исследовании команда Халида определила, какие типы дефектов наиболее часто образуются в TMD, и изучила, как эти дефекты влияют на свойства материала.
Во-первых, команда исследовала дефекты, при которых отсутствует один из атомов халькогена. Предыдущее исследование показало, что материал TMD, называемый дисульфид молибдена, неожиданно испускает инфракрасный свет при освещении. Команда Халида обнаружила, что испускание инфракрасного света было вызвано движением электронов, связанным с пространством, где должен был находиться отсутствующий халькоген.
«Наша работа предоставляет стратегию для исследования наличия этих вакантных мест в объёмных TMD, — сказал Халид в заявлении. — Мы объяснили результаты предыдущих экспериментов с дисульфидом молибдена и затем предсказали аналогичное поведение для других TMD.»Далее исследователи изучили тип дефекта, при котором дополнительный атом водорода зажат между двумя соседними атомами переходного металла. Водород является распространённой примесью, возникающей в TMD во время их формирования. Дополнительные атомы водорода придают нескольким — но не всем — материалам TMD слабый отрицательный заряд, превращая их в полупроводники «n-типа».
Компьютерные микросхемы зависят от комбинации полупроводников n-типа и положительно заряженных полупроводников «n-типа». И хотя учёным уже было известно, что некоторые материалы TMD могут действовать как полупроводники n-типа, новое исследование объясняет, откуда берётся дополнительный отрицательный заряд.
Понимание того, как эти дефекты влияют на производительность TMD, может помочь исследователям создавать микросхемы следующего поколения, заявили учёные в исследовании. И хотя микросхемы на основе TMD ещё не готовы к массовому выпуску, компании уже изучают возможность использования ультратонких микросхем TMD для решения энергоёмких задач ИИ.
