È opinione comune che il silicio stia raggiungendo i propri limiti fisici e che relativamente presto i produttori dovranno rivolgersi a nuovi materiali. A tal proposito gli ingegneri di Stanford hanno identificato due semiconduttori - diseleniuro di afnio e diseleniuro di zirconio - che condividono o persino migliorano alcune delle ottime caratteristiche del silicio, a partire dal fatto che tutti e tre i materiali possono ossidarsi.
"È un po' come l'ossidazione, ma di quella desiderabile", ha affermato Eric Pop, professore associato di ingegneria elettrica e coautore dello studio apparso su Science Advances. I nuovi materiali si possono inoltre usare per creare circuiti funzionanti con uno spessore di appena tre atomi e che richiedono meno energia rispetto ai circuiti in silicio.
Una delle qualità che hanno permesso al silicio di diventare il cuore di tutta l'elettronica moderna è la sua capacità di essere, nativamente, un isolante molto valido. La possibilità di esporre il silicio all'ossigeno durante la produzione dà a chi realizza chip un modo semplice per isolare i circuiti. Altri semiconduttori non reagiscono così, quindi devono essere coperti da altri isolanti, un passaggio che comporta alcune sfide ingegneristiche. I due materiali testati da Stanford hanno formato, al pari del silicio, questo strato isolante una volta esposti all'ossigeno.
Non solo entrambi si sono ossidati, ma l'hanno fatto in modo "più desiderabile" rispetto al silicio, dando vita a cosiddetti isolanti high-k, che permettono un funzionamento con consumi più bassi.
Quando i ricercatori di Stanford hanno iniziato a miniaturizzare i diseleniuri portandoli a spessori atomici, hanno realizzato che questi semiconduttori ultrasottili condividono un altro vantaggio segreto del silicio: l'energia necessaria per attivare i transistor - un passaggio chiamato band gap - è in una gamma corretta. Se fosse stata troppo bassa i circuiti avrebbero avuto fughe di energia e sarebbero diventati instabili. Al contrario, se fosse stata troppo alta, il chip avrebbe richiesto troppa energia per funzionare, diventando inefficiente. Entrambi i materiali hanno funzionato nella stessa gamma ottimale del silicio.
Il tutto permette di creare circuiti spessi appena tre atomi, circa due terzi di un nanometro, qualcosa che con il silicio non si può fare. "Il silicio non sparirà. Ma se questi semiconduttori saranno integrati con il silicio i consumatori potranno avere una durata della batteria molto più lunga e funzionalità più complesse", ha affermato Eric Pop.
C'è ancora molto lavoro da fare. Anzitutto bisogna rifinire i contatti elettrici tra i transistor. "Queste connessioni si sono sempre dimostrate ostiche per i nuovi semiconduttori e la difficoltà diventa maggiore in scala atomica". I ricercatori stanno anche lavorando per controllare meglio gli isolanti ossidati e assicurarsi che rimangano sottili e stabili il più possibile. Quando tutte queste cose saranno state risolte s'inizierà a integrarli con altri materiali e a lavorare alla produzione di wafer, circuiti complessi e, in ultima istanza, sistemi completi.
In attesa dei chip atomici i nostri computer se la cavano piuttosto bene, a patto di avere una buona CPU come il Core i7-7700K!