صناعة ترانزستورات على المستوى الذري ينبئ بطفرة تقنية!

لقد اتخذ العلماء خطوة مهمة نحو تحقيق عالم حيث الأجهزة الإلكترونية أصغر وأسرع وأقوى من أي وقت مضى من خلال اكتشاف طريقة لصناعة ترانزستورات على المستوى الذري بحجم أقل من نانومتر، وهي اللبنات الأساسية للإلكترونيات الحديثة. نجح فريق بحثي في ​​تطوير طريقة جديدة لتحقيق النمو الفوقي (epitaxial) للمواد المعدنية أحادية الأبعاد بعرض أقل من 1 نانومتر، مما يمهد الطريق لتطوير ترانزستورات فائقة التصغير.

قام الباحثون، بقيادة المدير جو مون هو، بتسخير الخصائص الفريدة لأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد (2D) لإنشاء هيكل جديد للدوائر المنطقية لأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد. وباستخدام المعادن أحادية الأبعاد كقطب كهربائي للبوابة، تمكنوا من التغلب على القيود المفروضة على عمليات الطباعة الحجرية التقليدية، والتي أعاقت تطوير الترانزستورات الأصغر. هذا الاكتشاف له آثار بعيدة المدى على مستقبل الإلكترونيات، مما يتيح إنشاء أجهزة منخفضة الطاقة وعالية الأداء يمكنها تحويل الصناعات وإحداث ثورة في الحياة اليومية.

البحث عن التصغير النهائي

في عالم الإلكترونيات، غالبًا ما يكون الحجم الأصغر هو الأفضل. لعقود من الزمن، كان العلماء يسعون لتحقيق الهدف النهائي المتمثل في التصغير، سعيًا إلى تجميع المزيد من القوة والوظائف في أجهزة أصغر حجمًا. وقد أدى هذا المسعى إلى تطوير ترانزستورات أصغر وأسرع وأكثر كفاءة، وهي اللبنات الأساسية للإلكترونيات الحديثة. ولكن مع اقتراب الترانزستورات من المقياس الذري، تبدأ قوانين الفيزياء في فرض حدود على تصميمها وبنائها. حاليًا، أصغر الترانزستورات المستخدمة في الإلكترونيات التجارية لها أطوال بوابة (gate length) تبلغ حوالي 10 نانومتر. ومع ذلك، مع اقترابنا من المقياس الذري، تصبح تحديات تصنيع مثل هذه الأجهزة الصغيرة شاقة بشكل متزايد.

إحدى العقبات الرئيسية هي القيود المفروضة على أبعاد الطباعة الحجرية (lithography resolution) (إنها الحد الأدنى من الأبعاد التي يمكن نقلها بدقة عالية إلى فيلم مقاوم على رقاقة أشباه الموصلات.)، وهي العملية المستخدمة لتشكيل الهياكل المصممة بشكل معقد على رقائق السيليكون. لقد كانت الطباعة الحجرية هي العمود الفقري لصناعة أشباه الموصلات، لكن دقتها تقتصر على حوالي 10 نانومتر، مما يجعل من الصعب تحقيق المزيد من التصغير. علاوة على ذلك، مع تقلص الترانزستورات، يتأثر أدائها أيضًا، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة. للتغلب على هذه القيود، قام العلماء باستكشاف مواد وتقنيات مبتكرة يمكن أن تساعدهم على اختراق حاجز 1 نانومتر.

تاريخ موجز لتطور الترانزستورات

تعود رحلة تطوير الترانزستورات فائقة الصغر إلى الخمسينيات من القرن الماضي عندما تم اختراع أول ترانزستور. ومنذ ذلك الحين، شهدت الترانزستورات تحولًا ملحوظًا، حيث تقلص حجمها. كان الترانزستور الأول، الذي طوره جون باردين، ووالتر براتين، وويليام شوكلي، مصنوعًا من الجرمانيوم (Germanium) وكان بحجم يد الإنسان تقريبًا. في الستينيات، أحدث إدخال ترانزستورات السيليكون ثورة في الصناعة، مما أدى إلى تطوير ترانزستورات أصغر وأسرع وأكثر كفاءة.

شهدت السبعينيات والثمانينيات ظهور المعالجات الدقيقة، مما أدى إلى تسريع عملية تصغير الترانزستورات. أدى إدخال تكنولوجيا أشباه الموصّلات ذات الأكاسيد المعدنية المُتتامة (CMOS) في الثمانينيات إلى تطوير ترانزستورات أصغر حجمًا ذات استهلاك أقل للطاقة. وبحلول التسعينيات، تقلصت الترانزستورات إلى حجم بضعة ميكرومترات.

ومع ذلك، مع استمرار انكماش الترانزستورات، واجه العلماء تحديات تقنية كبيرة. إن القيود المفروضة على دقة الطباعة الحجرية، وهي عملية تستخدم لنمط الترانزستورات على رقائق السيليكون، جعلت من الصعب تقليل حجم الترانزستور بما يتجاوز بضعة نانومترات. وقد هدد هذا القيد بوقف التقدم في تصغير الترانزستور، مما يجعل من الضروري إيجاد طرق جديدة للتغلب على هذا العائق. لقد مهد التقدم في المواد المعدنية أحادية الأبعاد الطريق الآن لتطوير ترانزستورات دون نانومتر، مما يمثل علامة بارزة في تطور تكنولوجيا الترانزستور.

تغيير قواعد اللعبة

في عالم تكنولوجيا الترانزستور، تلعب أقطاب البوابات (gate electrode) دورًا حاسمًا في التحكم في تدفق الإلكترونات. إن التقدم الأخير في تطوير المواد المعدنية أحادية الأبعاد (1D) بعرض أقل من 1 نانومتر قد فتح آفاقًا جديدة لأجهزة الترانزستور فائقة الصغر. من خلال الاستفادة من الخصائص الفريدة للحدود المزدوجة الانعكاسية (mirror twin boundary) (أحد أنواع عيوب السطح المستوي. حيث يكون الترتيب الذري على أحد جانبي الحد المزدوج هو انعكاس للترتيب على الجانب الآخر) لثانئي كبريتيد الموليبدينوم (molybdenum disulfide)، وهو شبه موصل ثنائي الأبعاد، نجح الباحثون في تطوير قطب كهربائي جديد للبوابة المعدنية يتغلب على قيود دقة الطباعة الحجرية التقليدية.

لنقل أن لديك سلكًا معدنيًا، عرضه 0.4 نانومتر فقط، يمكنه التحكم بكفاءة في تدفق الإلكترونات في الترانزستور. وهذا يشبه تقليص سلك نحاسي قياسي، يستخدم في الكهرباء المنزلية، إلى جزء من مائة من حجمه الأصلي. إن الآثار المترتبة على ذلك عميقة، حيث يتيح هذا التصغير إنشاء ترانزستورات بأطوال بوابة يمكن أن تصل إلى 3.9 نانومتر.

الطريق إلى المعادن أحادية الأبعاد

أنت تحاول بناء ناطحة سحاب باستخدام قطع الليجو. يمكنك تكديسها عاليًا، ولكن هناك حد لمدى صغر حجم الكتل الفردية. وبالمثل، في تصنيع أشباه الموصلات التقليدية، فإن “الكتل” (أو البكسلات) التي تشكل قطب البوابة لها حد أدنى للحجم، مما يحد من مدى صغر حجم الترانزستور.

وللتغلب على هذا العائق، استفاد الفريق من الخصائص الفريدة للمواد المعدنية أحادية الأبعاد التي يقل عرضها عن 1 نانومتر. يمكن استخدام هذه المعادن “الضيقة للغاية” كأقطاب كهربائية للبوابة، مما يسمح ببناء الترانزستورات على نطاق غير مسبوق.

ولكن كيف “تنمي” مثل هذه المعادن الصغيرة؟ تكمن الإجابة في التحكم في البنية البلورية لأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد الموجودة على المستوى الذري. ومن خلال معالجة البنية البلورية بعناية، تمكن الفريق من تحويل المادة ثنائية الأبعاد إلى معدن أحادي الأبعاد بعرض 0.4 نانومتر فقط. لا يتيح هذا الإنجاز إنشاء ترانزستورات متناهية الصغر فحسب، بل يفتح أيضًا إمكانيات جديدة لعلم المواد الأساسية.

• كل ما تحتاج معرفته عن ال CPU
• جهاز جديد يمكنه رفع كفاءة الخلايا الشمسية إلى 80%!
• ما هي إيجابيات وسلبيات تقنية النانو؟
• ما هي تقنية النانو وكيف بدأت؟
• ما هي الطباعة الحيوية؟

ثورة في الإلكترونيات

في قلب هذه الثورة تكمن القدرة على التحكم في تدفق الإلكترونات في الترانزستورات بدقة غير مسبوقة. يشبه الترانزستور أحادي الأبعاد ذي الحدود المزدوجة الانعكاسية (1D MTB) صنبورًا حساسًا للغاية، مما يسمح للإلكترونات بالتدفق أو التوقف عند المستوى الذري. سيمكن هذا المستوى من التحكم من إنشاء أجهزة ليست أسرع وأقوى فحسب، بل تستهلك أيضًا طاقة أقل بكثير.

فكر في الأمر على هذا النحو: إذا كان معالج هاتفك الذكي الحالي يشبه سيارة الدفع الرباعي التي تستهلك كميات كبيرة من البنزين، فإن ترانزستور (1D MTB) يشبه سيارة رياضية أنيقة وصديقة للبيئة. إنه أسرع وأكثر كفاءة وينتج انبعاثات أقل (في هذه الحالة، الحرارة). وهذا يعني أن أجهزتك ستستمر لفترة أطول، وستشحن بشكل أسرع.

لكن التأثير لن يتوقف عند الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر. يمتلك هذا الترانزستور القدرة على تحويل الصناعات، من الرعاية الصحية إلى التمويل. تخيل الأجهزة الطبية التي يمكنها مراقبة صحتك في الوقت الحقيقي، وتوفير الكشف المبكر عن الأمراض وعلاجها. أو تخيل نظامًا ماليًا يمكنه معالجة المعاملات بسرعة البرق، مما يقلل من مخاطر الاحتيال والخطأ. الاحتمالات لا حصر لها، ويعتقد العلماء أن هذا الاكتشاف سيمهد الطريق لجيل جديد من التقنيات المبتكرة.

المصادر:

Scientists discover way to ‘grow’ sub-nanometer sized transistors / science daily