جادوی علم؛ تولد نسلی تازه از تراشه‌ها با مواد دو بعدی

گروهی از پژوهشگران دانشگاه فودان در شانگهای موفق شده‌اند با استفاده از مواد دوبعدی یک تراشه حافظه بسازند و آن را بر روی تراشه‌های استاندارد سیلیکونی نصب کنند. لایه حافظه این تراشه ترکیبی که به طور کامل کار می‌کند، تنها به اندازه چند اتم ضخامت دارد و می‌تواند در آینده مزایای بزرگی را به قطعات الکترونیکی بیاورد.

مواد دوبعدی (2D) سال‌هاست که به‌عنوان آینده‌ی تراشه‌های پیشرفته مطرح هستند، اما تا امروز اغلب پروژه‌ها در حد نمونه‌های آزمایشگاهی باقی مانده بودند. این مواد ضخامتی در حد یک یا چند اتم دارند که باعث می‌شود خصوصیات و رفتار آنها مزایای بزرگی نسبت به مواد حجیم‌تر مورد استفاده در تراشه‌های کنونی داشته باشند.

مواد دو بعدی در الکترونیک

تیم دانشگاه فودان با استفاده از یک تکنیک تازه به نام ATOM2CHIP توانستند لایه‌ای از دی‌سولفید مولیبدن (MoS₂) به ضخامت تنها چند اتم را مستقیماً روی یک تراشه‌ CMOS معمولی شکل بدهند و یک تراشه هیبریدی بسازند.

حاصل این کار یک آرایه حافظه‌ NOR Flash دوبعدی و یک کنترلر سیلیکونی معمولی است. به عبارت دیگر، آنها بر روی یک تراشه سیلیکونی معمولی که نقش کنترلر را داشت، با استفاده از مواد دو بعدی یک لایه حافظه ساختند که در ترکیب با یکدیگر کاملاً کار می‌کنند.

این حافظه جدید قادر است با سرعت ۵ مگاهرتز کار کند و هر بیت آن تنها ۰.۶۴۴ پیکو ژول انرژی مصرف می‌کند. با این حال تراشه مزبور از مزایای برجسته‌ای همچون زمان برنامه‌ریزی ۲۰ نانوثانیه، حفظ داده تا ۱۰ سال، و دوام آوردن تا بیش از ۱۰۰ هزار چرخه نوشتن و پاک‌کردن برخوردار است.

یکی از موانع اصلی در استفاده از مواد دوبعدی، ناهمواری سطح سیلیکون است که می‌تواند باعث پارگی لایه‌های با ضخامت تنها چند اتم شود. در روش ATOM2CHIP پژوهشگران فرایندی موسوم به چسبندگی تطبیقی را توسعه دادند تا لایه دوبعدی بتواند بدون آسیب‌دیدگی روی سطح تراشه بنشیند. همچنین سیستم پکیجینگ ویژه‌ای طراحی شد تا از آسیب‌های حرارتی و الکترواستاتیکی تراشه جلوگیری کند.

محققان در مقاله خود تأکید کرده‌اند که این دستاورد می‌تواند برتری الکترونیک دوبعدی را از آزمایشگاه به دنیای واقعی بیاورد. در صورت تجاری‌سازی، این فناوری قادر خواهد بود مصرف انرژی را به‌طور چشمگیری کاهش دهد و تراکم ترانزیستورها را افزایش دهد. مهم‌تر اینکه چنینی تراشه‌هایی می‌تواند قانون مور را در ابعاد اتمی زنده نگه‌دارند و دوباره شاهد جهش پردازنده‌ها از نظر کارایی و راندمان باشیم.