رایانه‌های سریع‌تر: نیمه هادی گِرافِن، راه را هموار می‌کند

مخاطب 24- دانشمندان به پیشرفتی در الکترونیک دست یافته‌اند و اولین نیمه‌هادی کاربردی جهان ساخته شده از گرافن را ساخته‌اند. ماده‌ای که به سختی، انعطاف پذیری، سبک بودن و مقاومت بالا معروف است.
کشف آن‌ها در زمانی رخ می‌دهد که سیلیکون، ماده‌ای که تقریباً تمام لوازم الکترونیکی مدرن از آن ساخته می‌شود، دارای محدودیت‌هایی است.
دانشمندان در حال توسعه نیمه هادی‌های گرافن هستند که به دلیل سرعت و کارایی انرژی بیشتر با سیلیکون رقابت می‌کنند.
این مطالعه که در ۳ ژانویه در Nature منتشر شد، یک نیمه هادی گرافن کاربردی را نشان می‌دهد که برای استفاده در نانوالکترونیک مناسب است.
نویسندگان می‌گویند این کشف می‌تواند گامی بزرگ به سوی نسل بعدی محاسبات باشد و در‌ها را به روی روش جدیدی برای ساخت وسایل الکترونیکی باز کند.
والتر دی هیر، نویسنده اصلی موسسه فناوری جورجیا در ایالات متحده، در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت: «ما نمی‌دانیم این به کجا ختم می‌شود، اما می‌دانیم که در‌ها را برای یک تغییر پارادایم بزرگ در الکترونیک باز می‌کنیم.» گرافن مرحله بعدی است. چه کسی می‌داند که مراحل بعدی بعد از آن چیست، اما این احتمال وجود دارد که گرافن بتواند پارادایم ۵۰ سال آینده باشد.
نیمه هادی‌های سیلیکونی به محدودیت هایشان نزدیک می‌شوند
رایانه‌های کلاسیک مانند تراشه موجود در تلفن یا لپ‌تاپ شما از برقی استفاده می‌کنند که از طریق سوئیچ‌های سیلیکونی جریان می‌یابد تا یک‌ها و صفر‌ها را نشان دهند که به بیت‌ها نیز معروف هستند.
سارا استاد مواد در موسسه ملی گرافن، دانشگاه منچستر بریتانیا گفت: "نیمه هادی‌ها برای عملکرد همه رایانه‌ها ضروری هستند. آن‌ها به ما اجازه می‌دهند تا سوئیچ‌های ریز ایجاد کنیم که می‌توانند روشن و خاموش شوند تا جریان برق امکان پذیر باشد. این برق است که از طریق مدار‌های الکتریکی جریان می‌یابد که به رایانه‌ها اجازه می‌دهد محاسبات را انجام دهند. "
ما هر بار که از کارت اعتباری استفاده می‌کنیم، ماشین را روشن می‌کنیم، در‌های اتوبوس و قطار را باز می‌کنیم و البته از تلفن هوشمند یا لپ تاپ استفاده می‌کنیم، از نیمه هادی‌های سیلیکونی استفاده می‌کنیم.
اما نیمه هادی‌های سیلیکونی دارای محدودیت‌هایی هستند که دانشمندان را به جستجوی یک ماده جدید سوق داده است.
هیگ به دویچه وله گفت: "لوازم الکترونیک‌های سیلیکونی به مقدار نسبتاً زیادی نیرو و انرژی نیاز دارند، از جمله انرژی مورد نیاز برای خنک کردن وسایل الکترونیکی زمانی که انرژی به صورت گرما ساطع می‌شود. "

گرافن: ماده شگفت انگیز

یکی از گزینه‌ها گرافن بود. گرافن یک ورقه منفرد از اتم‌های کربن است - ماده‌ای دوبعدی که توسط قوی‌ترین پیوند‌های شیمیایی شناخته شده در کنار هم قرار گرفته است. این کربن‌ها در شش ضلعی‌های تسمه‌ای کنار هم قرار گرفته‌اند، دقیقاً شبیه لانه زنبوری.
این یک ماده فوق العاده قوی است - حدود ۲۰۰ برابر قوی‌تر از فولاد. آنقدر قوی است که می‌توانید یک بازی فوتبال را تنها بر روی یک لایه اتمی گرافن نگه دارید.
گرافن همچنین فوق العاده انعطاف پذیر است و آن را برای استفاده در دستگاه‌های الکتریکی و باتری‌ها یا حتی چاپ روی شیشه، پلاستیک یا پارچه ایده آل می‌کند.
اما پتانسیل آن برای استفاده به عنوان یک نیمه هادی سریعتر و کارآمدتر، دانشمندان را بیش از همه هیجان زده کرده است.
هیگ گفت: "امکان حفظ سرعت استثنایی گرافن و همچنین کارآیی هدایت الکترون‌ها بدون نیاز به مقادیر زیادی از انرژی "فراتر از سیلیکون " پتانسیل عظیمی را برای خلق لوازم الکترونیک فراهم می‌کند، به طوریکه رایانه‌ها سریعتر هستند و از انرژی کمتری برای اجرا استفاده می‌کنند "

اولین ابررسانای گرافن کاربردی

گرافن دارای اشکالات عمده‌ای است که مانع استفاده از آن در صنایع الکترونیک شده است. یکی از این مسائل مهم به عنوان "مشکل شکاف باند" شناخته می‌شود.
"دانشمندان در این زمینه در تلاش برای درک رسانایی استثنایی گرافن در لوازم الکترونیکی بوده اند. "
هیگ می‌گوید: "دانشمندان در این زمینه بیش از یک دهه تلاش کرده‌اند که رسانایی استثنایی گرافن در مدار‌های الکترونیکی را درک کنند. "
شکاف باند یک ویژگی الکترونیکی مهم است که به نیمه هادی‌ها اجازه می‌دهد خاموش و روشن شوند. گرافن تا به حال شکاف باند نداشت.
تیم De Heer چگونگی رشد گرافن را بر روی تراشه‌های کاربید سیلیکون خاص کشف کردند. این تحقیق ۱۰ سال طول کشید، زیرا این تیم مواد را تصفیه کردند و خواص شیمیایی گرافن را تغییر دادند تا زمانی که به ساختار عالی دست یافتند.
در نهایت، گرافن توانست مانند یک نیمه رسانای با کیفیت عمل کند که رقیب سیلیکون است.
دی هیر گفت: "نکته خوب در مورد گرافن این است که نه تنها می‌توانید چیز‌ها را کوچک‌تر و سریع‌تر کنید، بلکه با اتلاف گرمای کمتر، در واقع از خواص الکترون‌هایی استفاده کنید که در سیلیکون قابل دسترس نیستند؛ بنابراین این واقعاً یک تغییر پارادایم و روشی متفاوت در انجام کار‌های الکترونیکی است.

سریعتر و با بازدهی انرژی بیشتر

کارشناسان می‌گویند این نوآوری دارای پتانسیل عظیمی برای صنعت الکترونیک است. زیرا می‌تواند به ما اجازه دهد نیمه هادی‌های گرافنی جدیدی بسازیم که بسیار قدرتمندتر هستند، اما انرژی کمتری نسبت به همتایان سیلیکونی خود مصرف می‌کنند.
هیگ می‌گوید: "لوازم الکترونیک گرافنی کارآمدتر هستند، زیرا می‌توانند به انرژی کمتری برای روشن و خاموش کردن نیاز داشته باشند. همچنین به الکترون‌ها اجازه می‌دهند بدون ایجاد گرمای ناخواسته زیادی که باید با فن‌ها (نیاز به انرژی) خنک شوند، جریان پیدا کنند. "
او افزود: «این بدان معناست که تلفن‌ها می‌توانند هفته‌ها بدون تمام شدن باتری کار کنند، مصرف انرژی را در تمام بخش‌های زندگی ما کاهش دهند، هزینه‌ها و آلودگی ناشی از سوخت‌های فسیلی را کاهش دهند.»
دی هیر گفت که کشف او می‌تواند آینده لوازم الکترونیکی را تغییر دهد.
برای مثال، ابررسانا‌های گرافن جدید می‌توانند توسعه فناوری‌های محاسباتی کوانتومی را تسریع بخشند.
رایانه‌های کوانتومی می‌توانند مشکلاتی را در چند ثانیه حل کنند که برای ابر رایانه‌های معمولی هزاران سال طول می‌کشد، اما هنوز در حال توسعه هستند.
کارشناسان می‌گویند نیمه هادی‌های گرافن می‌توانند با غلبه بر چالش‌های متعدد به ایجاد رایانه‌های کوانتومی کمک کنند.

منبع: دویچه وله
ترجمه: سلیم حیدری