Phot Pho Đen có thể trở thành vi mạch trong tương lai?

Vật liệu carbon Graphene từ lâu được coi là tương lai của bộ vi xử lí cho máy tính và các thiết bị điện tử. Tuy nhiên, trong một vài năm qua, một số vật liệu tinh thể hai chiều đáng chú ý đã xuất hiện. đó là vật liệu photpho đen mới. Tuần này, một nhóm nghiên cứu người Hàn Quốc đã tìm ra cách để tạo ra năng lượng vùng cấm( band gap) trong vật liệu này, cho phép sử dụng nó như là một chất bán dẫn và (có khả năng) là một vật liệu cao cấp thay thế cho silicon.

Điều này có nghĩa gì đối với các chất bán dẫn và tương lai của vật liệu Graphene? Hãy cùng tìm hiểu trong bài viết dưới đây.

Phot pho đen

Giống như Graphene, phot pho đen có thể được tách ra thành những tấm dày. Những tấm này được được gọi là Phosphorene, nhưng không giống như Graphene,việc bố trí nguyên tử của Phosphorene hoạt động như một chất bán dẫn tuyệt vời có thể dễ dàng bật, tắt và được hi vọng là giảm các yêu cầu năng lượng cho thế hệ bóng bán dẫn siêu dẫn điện mới một cách đáng kể. Vật liệu Graphene cực dẫn điện, nhưng lại thiếu khoảng cách giữa các nguyên tử. Và đây là điểm mà photpho đen có thể đáp ứng.Sản xuất

Photpho đen có hình thù khá ổn định của các nguyên tử photpho. Ổn định ở nhiệt độ phòng, photpho đen không phải là một chất “ tự nhiên”và chỉ thu được bằng cách nung nóng phốt pho trắng dưới áp suất cao, áp suất không khí là 12,000. Kết quả thu được là phot pho đen, có tính năng tương tự như Graphene.Phot pho đen khó để sản xuất với số lượng lớn. Phương pháp truyền thống cũng được áp dụng cho các vật liệu hai chiều khác. Nghiên cứu này cũng nghiên cứu quá trình nghiền một lượng phot pho đen thành bột nén, sau đó sử dụng băng dính để từ từ bóc lớp đen cho đến khi họ tạo ra một màng dày chỉ vài lớp. Đây là một hạn chế và hạn chế này cho cả hai bên là nhà sản xuất và nghiên cứu.

Nhận thấy hạn chế của phương pháp này, Mark C.Hersam, một nhà hóa học tại Đại học Northwestern đã phát triển ra công nghệ mới sử dụng giải pháp hóa học để tăng tốc độ sản xuất. Họ đặt một tinh thể của photpho đen vào một dung môi trong đáy của một ống siêu âm, sử dụng một đầu kim loại rung nhanh chóng để khuấy động chất lỏng.Ống siêu âm kết hợp với dung môi tách photpho đen ra khỏi tấm dày, sẽ tồn tại trong chất lỏng. Sau đó các nhà nghiên cứu có thể dùng phương pháp phủ quay phủ lên bề mặt, tạo ra sự phân bổ ngẫu nhiên các mảng photpho đen mỏng.
Trong khi kĩ thuật sóng siêu âm có sản lượng lớn hơn một chút và nhanh hơn, sự phân bổ ngẫu nhiên là phần nào của vấn đề. Để tạo ra các bóng bán dẫn thực sự hiệu quả nhờ sử dụng phốt pho đen, các nhà nghiên cứu và các kĩ sư phải sử dụng phương pháp phủ quay bề mặt với độ chính xác hơn nhiều. Đây là mục tiêu tiếp theo của cách nhà nghiên cứu.

Năng lượng vùng cấm (Brand Gap)

Lợi thế lớn hấp dẫn của phot pho đen là năng lượng vùng cấm tự nhiên, hoặc khe năng lượng là những gì ngăn vật liệu dẫn điện từ chất bán dẫn. Nó hoạt động như thế này:

Graphene là một chất dẫn tốt, thích hợp cho bộ vi xử lí máy tính, chịu nhiệt. Thật không may mắn, chúng tôi vẫn chưa biết làm thế nào để chuyển đổi nó thành một chất dẫn điện. Trong khi có thể có nhiều cách để giải quyết vấn đề này, nhưng không ai khám phá chúng.

Phot pho đen là cũng là một chất dẫn tốt, nhưng có khe năng lượng, nghĩa là lượng năng lượng đi qua các vật liệu có thể chuyển giữa dẫn và cách điện. Bằng việc kích thích phot pho đen, bạn có thể tạo ra các bóng bán dẫn truyền thống một cách dễ dàng. Bạn cũng có thể điều chỉnh nó để sản xuất trạng thái cụ thể, cho các mạch điện tử kì lạ.

Chính khoảng cách năng lượng vùng cấm rộng tạo sự hứng thú cho các nhà khoa học vật chất. Điều này kết hợp với độ nhạy cao của phot pho đen có thể làm chất bán dẫn được sử dụng trong tất cả mọi thứ từ việc phát hiện hóa chất tới mạc điện quang.Mạch điện quang

Phot pho đen cũng được gọi là một chất bán dẫn trực tiếp. Đây là một chất hiếm, có nghĩa là các vật liệu có hiệu quả và có thể chuyển đổi tín hiệu điện trở lại với ánh sáng hiệu quả, làm cho nó là một ứng cử viên quang học cho chip điện tử. Nghiên cứu sinh Nathan Youngblood trường đại học University of Minnesota Department of Electrical and Computer
Engineering tin rằng:

“Thực thú vị để nghĩ rằng có một vật liệu duy nhất có thể được sử dụng để gửi và nhận dữ liệu quang học và không giới hạn chất xúc tác hoặc sóng cụ thể. Đây có thể là một tiềm năng lớn cho ngành truyền thông tốc độ cao giữa lõi CPU, nhưng hiện vẫn còn là một vấn đề bế tắc trong ngành công nghiệp máy tính”

Thay thế chất liệu Silicon?

Phot pho đen có thể là là chất được sử dụng trong bộ vi xử lí, với thiết kế lên một tầng cao mới. Phot pho đen sẽ giảm điện áp hoạt động linh kiện bán dẫn chủ động. Điều này sẽ làm giảm nhiệt thoát ra trong quá trình sử dụng, cho phép bộ vi xử lí có tốc độ nhanh hơn mà không quá nóng, làm tăng thêm hiệu suất chíp và quan trong hơn là sức mạnh xử lí tổng thể.

Định luật Moore có thể được tiếp tục tiến hành như kế hoạch
Không chỉ bán dẫn chủ động có thể được hưởng lợi từ phot pho đen. Các khía cạnh khác trong lĩnh vực điện tử bao gồm: tấm năng lượng mặt trời, pin mặt trời, pin, công tắc, cảm biến...Nhưng đối với hầu hết các khía cạnh này tự hỏi quá trình làm việc, nghiên cứu và áp dụng vật liệu này mất bao nhiêu thời gian, vì vậy không mong đợi một máy tính quang điện tử chơi Minecraft đến sớm.

Chúng ta có nên vui mừng?
Vâng, tất nhiên. Chúng ta đang nói về tương lại tiềm năng của máy tính và phương tiện truyền thông quang học. Tuy nhiên, chúng ta không nên quá vui mừng về việc sử dụng phot pho đen vì có thể sẽ là một cuộc hành trình dài chưa có sự điểm cuối. Các vật liệu tuyệt vời như Photpho đen, Graphene và Molybdenum Disulphide là tất cả những vật liệu được giả định để thay đổi tương lai. Nhưng có thể không nhanh chóng như chúng ta mong đợi.