2d-computer (afb: Krishnendu Mukhopadhyay/Penn State)
Silicium is nog steeds de basis van de huidige computertechno-logie, maar dat materiaal loopt tegen zijn grenzen aan. Onderzoekers van de staatsuniversiteit van Pennsylvanië hebben nu een eerste opzet gemaakt van een computer die is gebaseerd op atoomdikke (tweedimensionale) materialen van molybdeendisulfide en wolfraamdiselenide. Ze maakten van die materialen meer dan tweeduizend transistoren. Het lijkt er op dat de ’tweedimensionale’ computer slanker, sneller én energiezuiniger is dan de ‘dikke’ siliciumcomputer.
Silicium is nog steeds leidend in de digitale wereld, maar de Penn-onderzoekers willen dat veranderen. Zo ver zijn ze nog niet, maar ze hebben bij wijze van proef wel een ’tweedimensionale’ computer gefabriceerd op basis van de CMOS_techniek, die vooral zou uitblinken in een laag energieverbruik. Ze gebruikten twee verschillende 2d-materialen om beide typen transistoren te ontwikkelen die nodig zijn om de elektrische stroom in CMOS-computers te regelen: molybdeendisulfide voor n-type transistoren en wolfraamdiselenide voor p-type transistoren.
“Silicium heeft decennialang opmerkelijke vooruitgang in de elektronica geboekt door continue miniaturisatie van veldeffecttransistoren mogelijk te maken”, zegt onderzoeksleider Saptarshi Das. Die regelen de stroom met behulp van een elektrisch veld, dat ontstaat wanneer er spanning op wordt gezet. “Naarmate siliciumcomponenten echter kleiner worden, beginnen hun prestaties af te nemen. Tweedimensionale materialen daarentegen behouden hun uitzonderlijke elektronische eigenschappen bij atoomdikte, wat een veelbelovende weg voorwaarts biedt.”
Das legt uit dat CMOS-technologie vereist dat zowel n-type als p-type halfgeleiders samenwerken om hoge prestaties te bereiken bij een laag stroomverbruik.
Hoewel bij eerdere studies kleine schakelingen op basis van 2d-materialen hebben gemaakt, bleef opschaling naar complexe, functionele computers onbereikbaar, stelt Das. “Dat is de belangrijkste vooruitgang in ons werk. We hebben voor het eerst een CMOS-computer gedemonstreerd die volledig is opgebouwd uit 2D-materialen en die grootschalig gegroeide molybdeendisulfide- en wolfraamdiselenidetransistoren combineert.”
Opdampen
De onderzoekers gebruikten een opdamptechniek van metaalorganische verbindingen om grote lagen molybdeendisulfide en wolfraamdiselenide te laten groeien en daaruit meer dan 1000 exemplaren van elk type transistor te fabriceren. Door de fabricage- en nabewerkingsstappen van die techniek zorgvuldig af te stemmen, konden ze de drempelspanningen van zowel n- als p-type transistoren aanpassen, waardoor de constructie van volledig functionele CMOS-logicaschakelingen mogelijk werd.
“Onze tweediomensionale CMOS-computer werkt op lage voedingsspanningen met een minimaal stroomverbruik en kan eenvoudige logische bewerkingen uitvoeren met frequenties tot 25 kilohertz”, stelt medeonderzoeker Subir Ghosh. Die frequentie is laag ten opzichte van ‘gewone’ CMOS-schakelingen van silicium, maar kan daarmee nog steeds eenvoudige logische bewerkingen uitvoeren.
Gosh: “We hebben ook een rekenmodel ontwikkeld, geijkt met behulp van experimentele gegevens en rekening houdend met variaties tussen apparaten, om de prestaties van onze 2d-CMOS-computer te projecteren en deze te vergelijken met de modernste siliciumtechnologie. Hoewel er zeker nog ruimte is voor verdere verbetering, is dit werk wel een belangrijke mijlpaal in het benutten van 2d-materialen om de elektronica verder te brengen.”
Dash verwacht dat die ontwikkeling, net als bij de siliciumtechniek, ook geleidelijk aan zal zijn maar wel een stap vooruit op die ‘oude’ techniek.
Bron: Science Daily