ساخت ترانزیستور از آب و نانولوله کربنی

ترانزیستورهایی بر پایه آب

امروزه، در تجهیزات مصرفی مثل کامپیوترها، گوشی‌های هوشمند و تجهیزات مخابراتی به‌شکل گسترده‌ای از ترانزیستورها استفاده می‌شود، اما به‌نظر می‌رسد به‌دلیل شتاب روزافزون دنیای فناوری تا چند سال آینده با مشکلات جدی در این زمینه روبه‌رو خواهیم شد. ترانزیستورها از مولفه‌های مهم تشکیل‌دهنده تجهیزات الکترونیکی هستند، زیرا توانایی کنترل جریان الکتریسیته درون مدارها را دارند و نقش یک سوئیچ را بازی می‌کنند. به بیان دیگر، هنگامی که یک ترانزیستور به حالت اشباع می‌رسد، جریان توانایی عبور از درون آن‌را دارد و برعکس، هنگامی که ترانزیستور خاموش شده یا از مدار خارج می‌شود، الکتریسیته امکان عبور از درون مدار را ندارد.

سرعت یک ترانزیستور بر مبنای مدت زمان مورد نیاز برای تغییر حالت وضعیت‌های رسانا و غیررسانا مشخص می‌شود. این زمان، به‌ سرعت سوئیچ یا فرکانس سوئیچ معروف است. هرچه ترانزیستورهای یک سامانه، سریع‌تر فرآیند سوئیچ به حالت‌های مختلف را انجام دهند، کامپیوتر سریع‌تر قادر به پردازش اطلاعات است. با این‌حال، چند سالی است که شرکت‌ها در دستیابی به سرعت‌‌های بالای سوئیچینگ با محدودیت‌هایی روبه‌رو شده‌اند. اکنون به نظر می‌رسد راهکاری برای این مشکل ابداع شده است. گزارشی که به‌تازگی منتشر شده، نشان می‌دهد که پژوهشگران آلمانی موفق به ابداع راهکاری شده‌اند که به آن‌ها اجازه می‌دهد ترانزیستورهای جدیدی مبتنی بر آب پیاده‌سازی کنند. ترازیستورهایی که قادر هستند فرآیند سوئیچینگ را با بالاترین سرعت ممکن انجام دهند و در آینده دنیای محاسبات را دست‌خوش تغییرات اساسی کنند. ترانزیستور ابداعی این گروه از پژوهشگران، سرعتی هزار برابر بیشتر از سوئیچ‌های مبتنی بر نیمه‌هادی‌های رسانا دارد. معماری ترانزیستورهای فوق به این شکل است که اشعه لیزر که قدرت بالایی دارد با طول موج بسیار کوتاه، آب را در کمتر از یک تریلیونم (کسری با صورت یک و مخرج یک تریلیون) ثانیه به وضعیت رسانا تبدیل می‌کند. در این حالت، آب عملکردی مثل یک فلز پیدا می‌کند.

ترانزیستورهای آب‌محور به چه صورتی کار می‌کنند؟

کامپیوترهای مدرن از تکنیک‌های مختلفی برای افزایش سرعت سوئیچینگ ترانزیستورها استفاده می‌کنند. یکی از رایج‌ترین تکنیک‌ها استفاده از نیمه‌رساناهای پیشرفته است. با این حال، دکتر کلاودیوس هوبرگ، استاد دانشکده شیمی و بیوشیمی دانشگاه روهر بوخوم می‌گوید: «مهم نیست از چه تکنیک‌هایی برای سوئیچ کردن استفاده می‌شود، در هر صورت سوئیچ‌ها در دستیابی به بالاترین سرعت با محدودیت‌هایی روبه‌رو هستند، زیرا ماده تشکیل‌دهنده این سوئیچ‌ها به‌لحاظ طبیعی با محدودیت روبه‌رو است». همین مسئله باعث شد تا او به همراه گروهی از دانشمندان دانشگاه روهر آلمان روی این پروژه کار کنند که در نهایت باعث ساخت ترانزیستورهای آب‌محور شد که راهکاری برای سوئیچ‌ کردن، بدون محدودیت سرعت را ارائه می‌دهند. 

سوئیچ‌های فوق سریع (Ultra-fast)، پایه و اساس توسعه این فناوری‌ بودند. در گزارش مفصلی که این گروه از پژوهشگران منتشر کرده‌اند، به این نکته اشاره دارند که محلول‌های آبی یدید سدیم را می‌توان برای ساخت چنین تراتزیستورهایی مورد استفاده قرار داد. وقتی این مایعات مبتنی بر آب در معرض یک پالس نوری شدید با طول موج 400 نانومتر قرار می‌گیرند، واکنش‌های بزرگ و سریعی در محدوده تراهرتز یا به عبارت دقیق‌تر 1 تراهرتز از خود نشان می‎‌دهند. از آن‌جایی که خواص نوری آب، کوتاه‌تر از چرخه تراهرتز است، امکان شکل‌دهی و تنظیم میدان‌های تراهرتزی وجود دارد. برای آن‌که بازدهی این تراتزیستورها افزایش پیدا کند، دانشمندان تصمیم گرفتند فرکانس تابش تراهرتز را از 1 به 3 تراهرتز بالاتر ببرند تا بازدهی به میزان ۴ درصد افزایش پیدا کند. 

در فشار و دمای بسیار زیاد 300 گیگا پاسکال و 7000 کلوین، محاسبات دینامیک مولکولی باعث می‌شوند تا آب در تعامل با محلول‌های شیمیایی عملکردی شبیه به فلز پیدا کند، به‌طوری‌که باعث پدید آمدن میدان‌های مغناطیسی اورانوسی و نپتونی می‌شود. آزمایش‌های انجام‌شده نشان دادند که لایه‌های نازک آب می‌توانند از طریق انتقال بار از طریق آلیاژ سدیم پتاسیم برای مدت زمان بسیار کوتاهی پس از فوتیونیزاسیون عملکردی شبیه به فلز داشته باشند.

هنگامی که مولکول‌های آب در مرحله مایع از طریق جذب نوری چند فوتونی فوتونیزه می‌شوند، باعث می‌شوند تا تابع موج الکترونی برانگیخته شده و شعاع عملیاتی قابل قبولی را به‌وجود آورد. این فرآیند باعث می‌شود تا الکترون‌های بیش از 9000 مولکول آب جابه‌جا ‌شوند. این الکترون‌های باند رسانایی (Conduction Band Electron) زمانی برانگیخته می‌شوند که انرژی برانگیختگی نوری از شکاف باند آب مایع (Bandgap Of Liquid Water) که در بازه 10 تا 12 الکترون ولت قرار دارد، بیشتر شود. 

برای ساخت این سوئیچ‌ها، پژوهشگران دانشگاه روهر، محلولی از سدیم یدید (Sodium iodide) در آب را از طریق نازلی خاص روی ورقی نازک با ضخامت تنها چند میکرون پاشیدند. دکتر هوبرگ که مسئولیت این فرآیند را بر عهده دارد، پدیده فوق را به آب‌پاشی گل‌های داخل حیاط با یک شلنگ آب، اما در ابعاد بسیار کوچک‌تر تشبیه کرد.

در مرحله بعد، این جت آب در معرض اشعه‌هایی کوتاه، اما قدرتمند با طول موج 400 نانومتر قرار گرفت. این مسئله باعث تحریک الکترون‌ها و خروج آن‌ها از محلول شد که رسانایی آن‌ها را افزایش داد. به‌دلیل سرعت بالای اشعه‌های لیزر، آب عملکردی مثل فلز پیدا می‌کند و کاملا رسانا می‌شود. تمامی فرآیندهای اشاره‌شده در کمتر از یک تریلیونم ثانیه اتفاق می‌افتد. به همین دلیل، سرعت کامپیوتر در محدوده تراهرتز قرار می‌گیرد. این سوئیچ‌های آب‌محور از سریع‌ترین سوئیچ‌های نیمه‌رسانای کنونی سریع‌تر هستند. 

ترانزیستور‌های آب‌محور چه کاربردی دارند؟ 

دانشمندان بر این باور هستند که طراحی سوئیچ‌های آب‌محور، افق‌های تازه‌ای در زمینه توسعه فناوری‌های مختلف بر مبنای این ماده پیش روی شرکت‌ها قرار خواهد داد. به‌طور مثال، دستگاه‌هایی که در بازه تراهرتز کار می‌کنند در آینده نزدیک با افزایش چشم‌گیر سرعت پردازش کامپیوترها به بازار عرضه خواهند شد. علاوه بر این، فناوری‌های بر پایه آب در مقایسه با ترانزیستورهای مبتنی بر فلزات کمیاب، با محیط زیست سازگارتر هستند و می‌توانند گام بزرگی برای تولید قطعات کامپیوتری با رویکرد حفاظت از محیط زیست بردارند. البته، در مقطع فعلی ترانزیستورهای بر پایه آب بیشتر یک ایده مفهومی هستند و تا رسیدن به مرحله تولید انبوه تجاری راه زیادی پیش‌ رو دارند. 

تلاش‌های مستمر برای ساخت ترانزیستور‌های نانولوله کربنی

تلاش برای ساخت ترانزیستور‌های نانولوله کربنی (Carbon Nanotube) از سال‌ها قبل آغاز شده است، اما با محدودیت‌ها و چالش‌های بسیاری روبه‌رو بوده است. همین مسئله باعث شد تا پژوهشگران آی‌بی‌ام از چند سال قبل روی طرحی کار کنند که دستاورد بزرگی برای دنیای مهندسی به‌همراه دارد. این گروه از پژوهشگران جایگزین مناسبی برای ترانزیستورهای سیلیکونی پیدا کرده‌اند که نانوله‌های کربنی نام دارند. نانوله‌های کربنی این ظرفیت را دارند تا جایگزین تزانزیستورهای سیلیکونی رایج شوند. 

بعد از چند دهه تلاش، سرعت ریزپردازنده‌ها از اوایل سال 2000 میلادی در محدوده 3 تا 4 گیگاهرتز متوقف شده است؛ به دلیل این‌که سیلیکون به محدودیت فیزیکی خود رسیده است. اگر اخبار دنیای فناوری را دنبال کرده باشید، به‌خوبی از این نکته اطلاع دارید که اینتل چند سال قبل اعلام کرد که سرعت پردازنده‌هایش افزایش محسوسی نخواهند داشت و بیشتر بر بهینه‌سازی هسته‌های به‌کاررفته در ریزپردازنده‌هایش متمرکز خواهد بود. به‌طور مثال، پردازنده اینتل Core i9 13900K Raptor Lake که از پرچم‌داران بازار به‌شمار می‌رود و توانایی پشتیبانی از حافظه‌های DDR5 با باس 5600 MT/s را دارد، فرکانس پایه 3.0 گیگاهرتز را ارائه می‌دهد، در حالی که 24 هسته فیزیکی در اختیار شما قرار می‌دهد. اگر به ده سال قبل باز گردیم، مشاهده می‌کنیم که چنین پردازنده‌ای تنها در سرورها مورد استفاده قرار می‌گرفت، اما امروزه در کامپیوترهای شخصی قابل استفاده است. اکنون فرکانس پایه یا به عبارت دقیق‌تر، سرعت، به گلوگاه پردازنده‌ها تبدیل شده است. 

نانولوله‌های کربنی به ترانزیستورهای روی یک تراشه اجازه می‌دهند از سد محدودیت سیلیکون‌های امروزی عبور کنند و در مقیاس زیر 10 نانومتر ساخته شوند. نانولوله های کربنی، استوانه‌ای کوچک و مدور هستند که ضخامت ورق‌های کربنی آن‌ها در حد اتم است و خاصیت بالای جذب الکتریکی و حرارتی دارند. به‌لحاظ تئوری این مدارها سریع‌تر از مدل‌های امروزی هستند و انرژی را به‌شکل بهینه‌تری نسبت به سیلیکون‌ها مورد استفاده قرار می‌دهند. با این‌حال، مشکلات مختلفی در زمینه تجاری‌سازی دستگاه‌های مبتنی بر نانولوله‌های ترانزیستوری وجود دارد که آی‌بی‌ام موفق شده بر آن‌ها غلبه کند. پژوهشگران این شرکت راهکاری پیدا کرده‌اند تا نانولوله‌ها را با فلز ترکیب کنند تا جریان الکتریکی تولید کند. نانوله‌ها شبیه به ماکارونی هستند. این رشته‌ها برای آن ‌که بتوانند در مدارهای الکتریکی مورد استفاده قرار گیرند باید به‌دقت کنترل و هدایت شوند. مشکلی که وجود دارد این است که نقاط تماس در نانولوله‌های کربنی، مقاومت الکتریکی زیادی تولید می‌کنند. به همین دلیل، ترانزیستورهای نانوتیوب نیاز دارند از مانع بزرگی که مقاومت بین نانولوله و تماس فلزی است عبور کنند. برای حل این مشکل، پژوهشگران روش جدیدی را برای ساخت ترانزیستورهای نانولوله کربنی ابداع کرده‌اند، به این‌گونه که ورق‌های کربنی در مقیاس میکروسکوپی را به دور سیلندرهایی می‌پیچند که باعث می‌شود عملکرد ترانزیستور پایدار شود. به عبارت دیگر، در این روش آی‌بی‌ام در سطح اتم، فلز مولیبیدن را در انتهای نانولوله‌های کربنی برای ساخت یک ساختار جدید تماس جوش داده است. به کارگیری این روش به‌طرز قابل توجهی اندازه تزانزیستور‌های نانولوله کربنی را نسبت به مقیاس‌های امروزی و به‌ویژه ترانزیستورهای سیلیکونی، کوچک‌تر کرده است. هر چه اندازه این ترانزیستورها کوچک باشد موثرتر از سیلیکون عمل می‌کنند. به عبارت دیگر، به‌کارگیری این روش امید‌های تازه‌ای را درباره «قانون مور» به‌وجود آورده است. ویلفرد هانش، مدیر ارشد تیم تحقیقاتی آی‌بی‌ام که بر روند تولید تراشه‌ها نظارت می‌کند، در این باره گفته است: «موادی شبیه به نانولوله‌های کربنی همچنان به روند کوچک‌تر شدن ترانزیستورها کمک خواهند کرد».

ترانزیستورهای کوچک شگفت انگیز

دانشمندان در گذشته نشان داده‌اند که نانولوله‌های کربنی می‌توانند به‌عنوان سوئیچ‌های الکتریکی ترانزیستوری، زمانی‌که اندازه آن‌ها به کمتر از 10 نانومتر می‌رسد، به‌خوبی عمل کنند و می‌توان اندازه لوله‌ها را کوچک‌تر از مقیاس کنونی آن‌ها ساخت. اما در مقیاس زیر 10 نانومتر، نانولوله‌های کربنی عملکردشان در مقایسه با ترانزیستورهای بزرگ امروزی قابل مقایسه نبوده و افت عملکرد را تجربه خواهند کرد. تحقیقات تازه آی‌بی‌ام نشان داد ساخت نانولوله‌های کربنی زیر 10 نانومتر بدون افت سرعت و عملکرد امکان‌پذیر است. دستاورهای جدید آی‌بی‌ام به یک مشکل مهم پاسخ داد. مشکل این بود که یک تراشه تجاری قابل تعویض برای کامپیوترهایی با کارایی بالا به میلیون‌ها ترانزیستور نیاز دارد و در این مقیاس سطح تماس بسیار نزدیک خواهد بود که مشکل بزرگی است. به‌دلیل این‌که در این مقیاس خاصیت الکتریکی فلز تغییر پیدا کرده و به‌سختی می‌توان آن‌را داخل ترانزیستورها برای سوئیچ کردن قرار داد. هر چه اندازه کوچک‌تر می‌شود مشکل تماس بحرانی‌تر می‌شود. اکنون، این شرکت نشان داده که می‌تواند با استفاده از این روش به تولید تراشه‌های تجاری در مقیاس انبوه بپردازد. امروزه، شرکت‌هایی مثل اینتل توانایی تولید تراشه‌های سیلیکونی را در محصولات تجاری خود دارند که از لیتوگرافی 10 نانومتری پیروی می‌کنند، اما چند سالی است که موفق نشده به لیتوگرافی تراشه‌های سیلیکونی کمتر از 10 نانومتر دست پیدا کند. آی‌بی‌ام پیش‌تر اعلام کرده بود که توانایی ساخت تراشه‌هایی با سیلیکون و ژرمانیوم را در محدوده زیر 7 نانومتر دارد و حاضر است به شرکت‌های سازنده تراشه لایسنس مربوطه را بفروشد. در شرایطی که جدیدترین لیتوگرافی ای‌ام‌دی در زمینه ساخت ترانزیستورها 7 نانومتر است، محققان آی‌بی‌ام بر این باور هستند که توانایی ساخت ترانزیستورهای نانولوله کربنی را در مقیاس 5 نانومتر و حتا پایین‌تر دارند. شو جو هان، مدیر و عضو تیم تحقیقاتی نانو آی‌بی‌ام، در این ‌باره می‌گوید: «نوآوری اصلی تنها این موضوع نیست که ما موفق شدیم ترانزیستورهایی در مقیاس 9 نانومتری ایجاد کنیم، بلکه توانستیم نشان دهیم مقدار مقاومت کنتاکت (Contact Resistance) به اندازه کنتاکت (Contact Size) وابسته نیست».

شکل ۱

شکل ۱، مدل نانو ترانزیستور با طول کنتاکت زیر 10 نانومتر را نشان می‌دهد. در حال حاضر هنوز هم چالش‌های قابل ملاحظه‌ای وجود دارد. هاینش با اذعان به این مسئله می‌گوید: «در حال حاضر ما توانستیم تنها بر یکی از سه مانع بر سر راه ترانزیستورهای نانولوله کربنی در مقیاس تجاری غلبه کنیم. مشکل دیگر این است که تنها نانولوله‌های کربنی نیمه‌هادی برای ساخت ترانزیستورها مفید هستند. مهندسان نیاز دارند به‌طرز قابل توجهی لوله‌های فلزی را از لوله‌های نیمه‌هادی جداسازی کنند. چالش دوم در مورد توسعه پایدار نانو‌لیتوگرافی آن‌ها است که باید میلیاردها نانولوله دقیقا در نقطه درستی روی یک تراشه قرار بگیرند. نانولوله‌های کربنی نوید دستیابی به ماده‌ای را داده‌اند که می‌تواند برای همیشه سیلیکون را کنار بزند. 

فراتر از ترانزیستور، هان به این نکته اشاره می‌کند که آینده متعلق به نانولوله‌های کربنی است، به‌طوری‌که تاثیر آن‌ها بر دنیای فناوری و صنعت عمیق خواهد بود و باعث خواهند شد نسل جدیدی از دستگاه‌های الکترونیکی قدرتمند به بازار عرضه شوند. نانولوله‌ها می‌توانند منجر به پدید آمدن مواد مفیدی برای صنایع الکترونیکی همچون فیبر رسانا شوند. علاوه بر این، نانو لوله‌های کربنی می‌توانند برای ساخت حس‌گرهای کوچک بی‌سیم الکترونیکی متصل به یک‌دیگر و دستگاه‌های اینترنت اشیاء مورد استفاده قرار گیرند.