أول أشباه موصلات الغرافين العاملة يمكن أن تؤدي إلى حواسيب أسرع

بقلم ماثيو سباركس

لأول مرة، تم تصنيع أشباه موصلات Semiconductors عاملة وقابلة للتطوير من الغرافين Graphene، مما يمهد الطريق لنوع جديد من الحواسيب بسرعة وكفاءة أكبر من تلك القائمة على شرائح السيليكون Silicon chips الحالية.

الغرافين هو مادة مصنوعة من طبقة واحدة من ذرات الكربون أقوى من الفولاذ بسماكات مماثلة. وهو موصل كهربائي جيد جداً وشديد المقاومة للحرارة والأحماض. ولكن على الرغم من مزاياه، فإن شبه موصل الغرافين، الذي يمكن التحكم فيه لتوصيل الكهرباء أو عزلها حسب الرغبة، قد راوغ العلماء. فأشباه الموصلات هذه أساسية لإنشاء الشرائح المنطقية Logic chips التي تشغل الحواسيب.

وكانت المشكلة هي عدم وجود ما يعرف بفجوة الحزمة Bandgap. وتحتوي أشباه الموصلات على نطاقات من الطاقات العليا والدنيا ونقطة – فجوة النطاق – حيث يمكن للإلكترونات المثارة القفز من واحدة إلى أخرى. ويسمح هذا بشكل فعال بتشغيل وإيقاف تدفق التيار، بحيث يكون موصلاً أو غير موصل، مما يؤدي إلى إنشاء النظام الثنائي Binary system للأصفار والآحاد المستخدم في الحواسيب الرقمية.

في حين أظهرت الأبحاث السابقة أنه يمكن جعل الغرافين يعمل مثل أشباه الموصلات على نطاق صغير، إلا أنه لم يتم توسيع نطاقه مطلقاً إلى أحجام تجعل شريحة الحاسوب عملية. وقد أظهر العمل السابق أن التجاعيد والقباب والثقوب في صفائح الغرافين يمكن أن تكون لها تأثيرات غير عادية على التدفق الكهربائي، مما يخلق إمكانية صنع شرائح منطقية من خلال خلق المشهد الصحيح للعيوب.

لكن حتى الآن لم يتم رفع مستوى أي شيء. الآن، أنشأ والتر دي هير Walter de Heer- من معهد جورجيا للتكنولوجيا Georgia Tech في أتلانتا – وزملاؤه غرافين مزود بفجوة نطاقية، كما طوّروا ترانزستوراً عاملاً Working transistor، وهو مفتاح تشغيل/إيقاف يمنع أو يسمح بتدفق التيار من خلاله. وينبغي أن تكون عمليتهم أكثر ملاءمة للتوسع لأنها تعتمد على تقنيات لا تختلف عن تلك المستخدمة في صنع شرائح السيليكون.

سخّن فريق دي هير شرائح من كربيد السيليكون Silicon carbide، مما أجبر السيليكون على التبخر قبل الكربون، تاركاً فعلياً طبقة من الغرافين في الأعلى. لم يكن دي هير متاحاً للمقابلة في وقت كتابة هذا الخبر، لكنه قال في بيان صحافي إن الخصائص الكهربائية لأشباه موصلات الغرافين كانت أفضل بكثير من تلك التيل شرائح السيليكون. وأضاف: «الأمر أشبه بالقيادة على طريق مرصوف بالحصى مقابل القيادة على طريق سريع».

إن شرائح السيليكون رخيصة الصنع ومدعومة ببنية تحتية صناعية هائلة على مستوى العالم، لكننا وصلنا إلى حدود ما يمكن أن تفعله هذه الشرائح. وينص قانون مور Moore’s law على أن عدد الترانزستورات في الدائرة سوف يتضاعف كل عامين تقريباً، لكن معدل تصغير حجم الشرائح تباطأ في السنوات الأخيرة مع وصول المهندسين إلى كثافات الدائرة التي لا يمكن بعدها التحكم في الإلكترونات بشكل موثوق به. ويمكن لدوائر الغرافين أن تعيد تنشيط التقدم، لكنه لا تزال هناك عقبات.

يقول دافي كاري Davi Carey، من جامعة ساري University of Surrey بالمملكة المتحدة: «إن حقيقة استخدامهم لشرائح هو أمر مهم، لأنه قابل للتطوير حقاً. إذ يمكنك استخدام كل التقنيات المتاحة حاليا في صناعة أشباه الموصلات بكاملها لتوسيع نطاق هذه العملية».

لكن كاري يشكك في أن هذا التطور يعني أن العالم سيتحول قريباً من شرائح السيليكون إلى شرائح الغرافين، لأن البحث الجديد يحتاج إلى الكثير من التحسين من حيث حجم الترانزستور والجودة وتقنيات التصنيع، ولأن السيليكون يمتاز باجتيازة هذه المراحل الأولية.

ويضيف قائلا: «معظم العاملين في مجال السيليكون يواجهون يومياً مواد جديدة ورائعة على وشك أن تحل محله، ولم يحدث أي من ذلك بعد… إذا كنت من مُحبي السيليكون، فأنت تجلس بسعادة على القمة. إن فكرة أنني سأستبدل الحاسوب المحمول الخاص بي بالغرافين لم تصل إلى تلك المرحلة بعد».

© 2024, New Scientist, Distributed by Tribune Content Agency LLC