O fósforo preto poderia ser o futuro dos microchips?

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O grafeno é visto como o futuro dos processadores e eletrônicos de computador. No entanto, nos últimos dois anos, surgiram alguns notáveis ​​materiais de cristal em duas dimensões. Um novo desafiante é o fósforo preto. Nesta semana, uma equipe de pesquisa coreana descobriu como criar uma lacuna de banda ajustável no material, permitindo que seja usado como um semicondutor e (potencialmente) um substituto superior para o silício.

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Fósforo preto

Como o grafeno, o fósforo preto pode ser separado em folhas com um átomo de espessura. Essas folhas são conhecidas como fosforeno, mas, diferentemente do grafeno, essas camadas agem como um excelente semicondutor que pode ser facilmente ligado e desligado, diminuindo substancialmente a

requisitos de energia para uma nova geração 8 maneiras inacreditáveis ​​de gerar eletricidadeA energia alternativa é a que está em alta, mas talvez você não conheça todas as opções. Aqui estão algumas das novas maneiras mais loucas de gerar energia. consulte Mais informação de transistores ultra-condutores. O grafeno é extremamente condutor, mas não possui uma lacuna de banda natural, e é aqui que o fósforo preto pode interferir.

Produção

O fósforo preto é um alótropo termodinamicamente estável do elemento fósforo. Estável à temperatura ambiente, o fósforo preto não é uma substância de ocorrência natural e só é obtido pelo aquecimento do fósforo branco sob pressão extremamente alta, cerca de 12.000 atmosferas. Os cristais de fósforo preto resultantes apresentam camadas de favo de mel enrugadas, com distância entre camadas de 0,5 nanômetros Você não vai acreditar: pesquisa futura da DARPA sobre computadores avançadosA DARPA é uma das partes mais fascinantes e secretas do governo dos EUA. A seguir, estão alguns dos projetos mais avançados da DARPA que prometem transformar o mundo da tecnologia. consulte Mais informação , outro recurso semelhante ao grafeno.

Uma vez criado, o fósforo preto é difícil de fabricar em grandes quantidades na largura especificada. O método tradicional, também aplicado a outros materiais bidimensionais, é o da esfoliação mecânica. Nesse processo meticulosamente lento, os pesquisadores esmagam uma quantidade de fósforo preto em um comprimido pó e, em seguida, use fita adesiva para remover lentamente as camadas posteriores até criar um filme apenas algumas camadas Grosso. É limitado e limitante à fabricação e à pesquisa.

Percebendo o quão restritivo esse método é, Mark C. Hersam, químico da Northwestern University, desenvolveu um nova técnica usando química da solução para acelerar a produção. Eles colocam um cristal de fósforo preto e um solvente no fundo de um tubo ultrassônico, que usa uma ponta de metal que vibra rapidamente para agitar o líquido.

A ação sônica resultante, combinada com o solvente, separa o fósforo preto nas folhas espessas de nanômetros necessárias, suspensas no líquido. Os pesquisadores podem então aplicar uma camada de tinta dessa 'tinta' nas superfícies, criando uma distribuição aleatória de finos flocos de fósforo preto.

Enquanto a técnica de ultra-som produz um rendimento um pouco maior e é um processo mais rápido, a distribuição aleatória é um tanto problemática. Para criar transistores verdadeiramente eficientes usando fósforo preto, pesquisadores e engenheiros devem ser capazes de revestir as superfícies com muito mais precisão. Este é o próximo objetivo para os pesquisadores.

Band Gap

Uma grande vantagem do apelo ao fósforo preto é o gap natural da banda. A diferença de banda ou diferença de energia é o que separa os materiais condutores dos semicondutores. Funciona assim:

• O grafeno é um excelente condutor, o que o torna atraente para processadores de computador. Pouca resistência significa pouco calor. Infelizmente, ainda não sabemos como alterá-lo para um estado não condutor. Os transistores de grafeno não podem ser desligados. Embora possa haver maneiras de resolver esse problema, ninguém os quebrou ainda.
• O fósforo preto também é um excelente condutor, mas também possui uma lacuna de energia, o que significa que a quantidade de energia que passa pelo material pode ser alternada entre condutor e isolante. Ao dopar o fósforo preto, você pode criar transistores tradicionais facilmente. Você também pode ajustá-lo para produzir comportamentos realmente específicos, permitindo circuitos eletrônicos exóticos.

É esse amplo intervalo de banda que preenche cientistas de materiais Como os seres humanos da impressão 3D podem ser possíveis algum diaComo funciona a bioimpressão? O que pode ser impresso? E será capaz de imprimir um ser humano completo? consulte Mais informação com animação. Isso, combinado com a alta fotossensibilidade do fósforo preto, pode ver o semicondutor usado em tudo, desde a detecção química ao circuito óptico.

Circuitos Ópticos

O fósforo preto também é referido como um semicondutor de "banda direta". Essa é uma propriedade rara, o que significa que o material pode efetivamente e eficientemente converter sinais elétricos de volta à luz, tornando-o um candidato principal à comunicação óptica no chip. Estudante de graduação da Universidade de Minnesota, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, Nathan Youngblood, cujo trabalho sobre fósforo preto destaque em Nature Photonics acredita:

“É realmente empolgante pensar em um único material que possa ser usado para enviar e receber dados opticamente e não se limite a um substrato ou comprimento de onda específico. Isso pode ter um enorme potencial para comunicação de alta velocidade entre os núcleos da CPU, que atualmente é um gargalo no setor de computação no momento. ”

Uma substituição de silicone?

Embora o Vale do Silício precise ser renomeado, o fósforo preto pode ser o material para levar o design do processador a novos patamares. Idealmente, o fósforo preto reduzirá a tensão de operação dos transistores revestidos com a mencionada "tinta". Isso reduzirá o calor produzido durante o uso, permitindo que os processadores fiquem com freqüência mais rápida sem superaquecer, um processo que em grande parte parou a favor de adicionar mais núcleos. Isso aumentaria a eficiência do chip e - o mais importante - o poder de processamento geral.

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Não são apenas os transistores que podem se beneficiar do fósforo preto. Outras aplicações na eletrônica incluem: painéis solares, células solares Eficiente. Barato. Impressionante. Eis por que as novas células solares em spray são importantesO custo da energia solar deve cair vertiginosamente depois que uma equipe de cientistas trabalhando no A Universidade de Sheffield, no Reino Unido, anunciou o desenvolvimento de células solares usando um spray sobre processo. consulte Mais informação , pilhas Tecnologias de bateria que vão mudar o mundoA tecnologia da bateria tem crescido mais lentamente do que outras tecnologias e agora é o pólo da barraca comprida em um número impressionante de indústrias. Qual será o futuro da tecnologia de baterias? consulte Mais informação , comutadores, sensores e muito mais. Mas, como acontece com a maioria dos materiais maravilhosos, trabalhar, pesquisar e implementação de materiais de nível atômico Computadores quânticos: o fim da criptografia?A computação quântica como uma idéia existe há algum tempo - a possibilidade teórica foi originalmente introduzida em 1982. Nos últimos anos, o campo tem se aproximado da praticidade. consulte Mais informação vai levar tempo, então não espere um computador optoeletrônico Como funcionam os computadores ópticos e quânticos?A Era Exascale está chegando. Você sabe como os computadores ópticos e quânticos funcionam e essas novas tecnologias se tornarão o nosso futuro? consulte Mais informação jogando Minecraft O (iniciante) Guia do iniciante para MinecraftSe você está atrasado para a festa, não se preocupe - este extenso guia para iniciantes já o cobriu. consulte Mais informação em breve.

Devemos Ser Animados?

Sim, claro. Estamos literalmente falando sobre o futuro potencial da computação e da comunicação óptica. No entanto, não devemos nos alegrar e pular a bordo de um trem hype de fósforo preto, porque será uma longa e antiga jornada sem fim definitivo à vista. Materiais incríveis como o fósforo preto, o grafeno, o dissulfeto de molibdênio estão prontos para mudar o futuro. Apenas não tão rapidamente quanto gostaríamos.

Você está animado com materiais futuristas? Ou é tudo apenas um monte de hype? Deixe-nos saber o que você pensa!

Créditos da imagem: pó preto por Fablok via Shutterstock, Alótropos de fósforo, Ampola de fósforo preto, Estrutura de fósforo, Chip DWave tudo via Wikimedia Commons, Microchip via Flickr