دنیایی را تصور کنید که در آن دستگاه‌های الکترونیکی ما هوشمندتر، سریع‌تر، سبک‌تر و انعطاف‌پذیرتر از همیشه هستند و قادرند مرزهایی را جابجا کنند که قبلاً غیرممکن می‌پنداشتیم. با ظهور فناوری‌های جدید، آینده الکترونیک پر از نوآوری و امکانات جدید خواهد بود.

سیلیکون در طول چند دهه گذشته در صنعت الکترونیک نقش مهمی ایفا کرده است. اما اکنون، سلطنت سیلیکون، که مدت‌ها ستون فقرات این صنعت بوده، با ورود مواد جایگزینی مواجه شده که می‌توانند پیشرفت‌های انقلابی در حوزه الکترونیک ایجاد کنند. امروزه به نقطه‌ای رسیده‌ایم که دیگر نمی‌توانیم قطعات کوچکتری با سیلیکون بسازیم، چراکه از نظر بهره‌وری انرژی کارایی لازم را نخواهند داشت. اگرچه سیلیکون در ابعاد کوچک‌تر همچنان کار می‌کند، اما انرژی مورد نیاز برای انجام محاسبات در این شرایط روند صعودی دارد. این امر باعث می‌شود که استفاده از سیلیکون از نظر انرژی غیرپایدار باشد. به عبارتی از لحاظ مصرف انرژی، کاربرد سیلیکون برای تولید قطعات مینیاتوری دیگر منطقی نیست. با وجود اینکه سیلیکون در گذشته عملکرد خوبی داشته، اکنون وقت آن رسیده که به جستجوی مواد جدید بپردازیم. مواد جدیدی که می‌توانند جهان را به شکلی متفاوت و نوین شکل دهند. در ادامه به معرفی برخی از این جایگزین‌های احتمالی سیلیکون می‌پردازیم.

اولین ترانزیستور اثر میدانی بر پایه گرافن

گرافن

گرافن یک لایه تک اتمی از اتم‌های کربن است که در یک ساختار شش‌ضلعی دوبعدی چیده شده‌اند. این ماده نازک‌ترین و قوی‌ترین ماده‌ای است که بشر تاکنون شناخته و دارای ویژگی‌های استثنایی از نظر مکانیکی، الکتریکی و حرارتی است.

رسانایی الکتریکی استثنایی و تحرک بالای الکترون‌ها در گرافن، آن را برای دستگاه‌های الکترونیکی نسل بعدی ایده‌آل می‌سازد. این ویژگی‌ها امکان ساخت ترانزیستورهای سریع‌تر، الکترونیک کم‌مصرف و کاربردهای بالقوه در محاسبات کوانتومی را فراهم می‌کند. با توجه به سطح وسیع، رسانایی الکتریکی و استحکام مکانیکی بالای گرافن، این ماده پتانسیل زیادی برای ذخیره‌سازی انرژی دارد. گرافن قادر است ابرخازن‌ها و باتری‌های با ظرفیت بالا را تولید کند که شارژ سریع، طول عمر بیشتر و امکان تحول در صنعت ذخیره‌سازی انرژی را به ارمغان می‌آورند.

حساسیت گرافن به محرک‌های خارجی، آن را برای کاربردهای حسگری بسیار مطلوب می‌سازد. از جمله این کاربردها می‌توان به پایش محیطی، تشخیص پزشکی و فناوری‌های پوشیدنی اشاره کرد که توانایی تشخیص تغییرات ظریف محیطی را با دقت و حساسیت بی‌نظیر فراهم می‌کند.

یک پردازنده دارای حافظه ساخته شده برپایه MoS2

دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه (Transition Metal Dichalcogenide)

TMDها مثل WS2، MoS2 و MoSe2، مواد دوبعدی هستند که خواص نیمه‌رسانایی دارند و شکاف‌های باندی (band gap) مناسبی ارائه می‌دهند و بنابراین برای استفاده در ترانزیستورها، فوتودتکتورها و قطعات الکترونیکی انعطاف‌پذیر ایده‌آل هستند. بر خلاف گرافن، وجود شکاف باند در TMDها امکان خاموش/روشن شدن موثر در ترانزیستورها را فراهم می‌کند. این ویژگی برای لوازم الکترونیکی ضروری است. تحقیقات نشان داده‌اند که ترانزیستورهای مبتنی بر TMD می‌توانند عملکرد الکتریکی قابل توجهی از جمله نرخ روشن/خاموش بالا و توان تلف شده پایین ارائه دهند. از TMDها در ترانزیستورهای اثر میدانی (FETها) برای ایجاد تحرک بالای حامل‌های بار و مصرف توان کم استفاده می‌شود. همچنین در فوتودتکتورها این مواد باعث پاسخ‌دهی به طیف وسیعی از طول موج‌ها می‌شوند و حساسیت قطعه را نیز افزایش می‌دهند.

یکی از چشمگیرترین کاربردهای MoS₂ در سال‌های اخیر، ساخت اولین پردازنده با ضخامت اتمی به نام RV32-WUJI است. این تراشه که توسط پژوهشگران چینی توسعه یافته، از نزدیک به 6000 ترانزیستور مبتنی بر MoS₂ تشکیل شده و نشان می‌دهد که TMDها نه‌تنها در سطح ترانزیستوری بلکه در مقیاس معماری کامل پردازنده نیز قابلیت پیاده‌سازی دارند.

پردازنده کوانتومی ابررسانا که با استفاده از نیترید بور با ساختار شش ضلعی (h-BN) ساخته شده است

نیترید بور با ساختار شش ضلعی

h-BN که به عنوان گرافن سفید شناخته می‌شود عایقی دوبعدی با شکاف باند وسیع است. شباهت ساختاری آن به گرافن این امکان را می‌دهد که در ساختارهای ناهمگون (heterostructure) با مواد دوبعدی دیگر ادغام شود و به عنوان یک زیرلایه یا لایه دی‌الکتریک عالی عمل کند. ثبات حرارتی و شیمیایی h-BN عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه‌های الکترونیکی را بهبود می‌بخشد. از این ماده برای فراهم کردن زیرلایه‌ای صاف و از لحاظ شیمیایی بی‌اثر برای رشد و تثبیت دیگر مواد دو بعدی استفاده می‌شود. همچنین در خازن‌ها و ترانزیستورهای مبتنی بر مواد دوبعدی به دلیل خواص عایقی که دارد به عنوان لایه دی‌الکتریک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تراشه‌ای ساخته شده از فسفر سیاه

فسفر سیاه (BP)

فسفر سیاه ماده‌ای دوبعدی با قابلیت‌های بسیار بالا است که شکاف باندی آن بسته به تعداد لایه‌ها متغیر است و آن را برای استفاده در الکترونیک، اپتوالکترونیک و فوتوولتائیک مناسب می‌سازد. خواص الکتریکی و نوری آن که وابسته به جهت هستند، فرصت‌های منحصر به فردی را برای توسعه دستگاه‌های الکترونیکی با وابستگی به جهت فراهم می‌آورند. به دلیل شکاف باند قابل تنظیمی که دارد این امکان را فراهم می‌کند تا ترانزیستورهایی با تحرک بالای حامل و نرخ روشن/خاموش بالا توسط این ماده تولید شوند. همچنین خواص anisotropic آن برای کاربردهای پیشرفته فوتونیکی و اپتوالکترونیکی بسیار ایده‌آل است.

ترانزیستور اثر میدانی ساخته شده از نانولوله‌های کربنی تک‌جداره

نانولوله‌های کربنی تک‌جداره

این مواد دهه‌های متوالی است که مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما ادغام آنها در فرآیندهای دستگاه‌های سیلیکونی با چالش‌هایی مانند مقیاس‌پذیری ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون مواجه بوده است. با این حال با رسیدن ترانزیستورهای سیلیکونی به مرزهای مقیاس‌بندی، نانولوله‌های کربنی تک‌جداره به خصوص برای ایجاد مدارهای مجتمع سه‌بعدی با عملکرد بالا مورد توجه قرار گرفته‌اند. با وجود دشواری‌های تکنولوژیکی که پیش روی تولید این مواد وجود دارد، نانولوله‌های کربنی تک‌جداره نسبت به TDMها مزایایی نظیر ثبات شیمیایی و حرارتی بالاتر و همچنین هدایت حرارتی استثنایی ارائه می‌دهند که برای تضمین قابلیت اطمینان قطعات الکترونیکی ضروری است.

اکسیدهای همبسته (Correlated Oxides)

اکسیدهای همبسته رفتارهای جالب و متنوعی از خود نشان می‌دهند که شامل ابررسانایی در دماهای بالا، مقاومت مغناطیسی عظیم، گذار فاز فلز-عایق، multiferroicity و غیره است. این پدیده‌ها ناشی از تعادل دقیق بین بار، مدار (orbit)، اسپین و درجات آزادی شبکه است که باعث ایجاد خواص الکترونیکی و مغناطیسی پیچیده می‌شود. چنین پیچیدگی‌هایی اغلب از تعامل حالات مختلف الکترونی ناشی می‌شوند که منجر به رفتارهای نوآورانه و گذارهای فازی می‌گردد.

اکسیدهای همبسته پتانسیل بالایی برای دستگاه‌های حافظه و حسگرهای نسل بعدی دارند که از گذار‌های فلز-عایق و خاصیت مغناطیسی قابل تغییر استفاده می‌کنند. همچنین به دلیل ویژگی‌های ابررسانایی در دماهای بالا و گذارهای فازی ساختاری برگشت‌پذیر، امکانات بالقوه‌ای در زمینه انتقال، تولید و ذخیره‌سازی انرژی ارائه می‌دهند. خواص منحصر به فرد اکسیدهای همبسته، طراحی و تولید حسگرها و عملگرهای با عملکرد بالا را ممکن می‌سازد. این حسگرها و عملگرها در رباتیک، دستگاه‌های پزشکی و سیستم‌های هوشمند کاربردی هستند و عملکرد این دستگاه‌ها را به طور چشمگیری بهبود می‌بخشند.

نیترید گالیوم (GaN)

نیترید گالیوم (GaN) نیمه‌رسانایی با شکاف باند وسیع است که در سال‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. نیترید گالیوم خواص استثنایی‌ای از خود نشان می‌دهد که باعث برتری آن در کاربردهای الکترونیک قدرت می‌شود. یکی از ویژگی‌های اصلی GaN، شکاف باند وسیع آن است که این امکان را می‌دهد تا در ولتاژها و دماهای بالاتر از سیلیکون عمل کند. این ویژگی باعث می‌شود تا دستگاه‌های ساخته شده با GaN قادر به پردازش سطوح بالاتری از قدرت، بدون کاهش کارایی باشند.

ویفر نیمه‌رسانای ساخته شده با استفاده از نیترید گالیوم (GaN)

دستگاه‌های GaN می‌توانند در مبدل‌های AC-DC و DC-DC و همچنین اینورترهای درایو موتور استفاده شوند. کارایی بالا و قابلیت‌های پردازش قدرت آن‌ها، امکان ایجاد سیستم‌های تبدیل قدرت کوچکتر و کاراتر را فراهم می‌کند. لوازم الکترونیکی قدرت مبتنی بر GaN زمان‌های شارژ سریع‌تر، چگالی قدرت بالاتر و کارایی بهبود یافته در زیرساخت‌های شارژ EV را ممکن می‌سازند و به پذیرش گسترده‌تر خودروهای الکتریکی کمک می‌کنند. همچنین دستگاه‌های GaN می‌توانند کارایی و چگالی قدرت سیستم‌های انرژی خورشیدی و بادی را افزایش دهند. این دستگاه‌ها به بهبود تبدیل انرژی، کاهش اتلاف قدرت و یکپارچه‌سازی منابع انرژی تجدیدپذیر در شبکه برق کمک می‌کنند. لوازم الکترونیکی قدرت مبتنی بر GaN در مراکز داده و زیرساخت‌های مخابراتی نیز کارایی بهتری ارائه می‌دهند که به برآورده کردن نیازهای روزافزون پردازش داده و ارتباطات کمک می‌کند.

مواد آلی

مواد آلی دسته‌ای از ترکیبات هستند که عمدتاً از اتم‌های کربن که با هیدروژن و دیگر عناصر پیوند خورده‌اند، تشکیل شده‌اند. در زمینه الکترونیک، مواد آلی به نیمه‌رساناهای آلی و پلیمرهای رسانا اشاره دارند که ویژگی‌های الکتریکی و نوری منحصر به فردی از خود نشان می‌دهند. این مواد مزایای متعددی دارند، از جمله انعطاف‌پذیری، سبکی و پتانسیل تولید با هزینه پایین.

استفاده از مواد آلی در ساخت نمایشگرهای OLED انعطاف‌پذیر

دیودهای ساطع‌کننده نور (OLED) مبتنی بر مواد آلی مزایای قابل توجهی برای نمایشگرهای انعطاف‌پذیر دارند. این نمایشگرها می‌توانند رول شوند، خم شوند و به شکل‌های مختلفی تغییر پیدا کنند و فرم‌فکتورهای جدیدی برای گوشی‌های هوشمند، تلویزیون‌ها و دستگاه‌های پوشیدنی ایجاد کنند. سلول‌های خورشیدی آلی که به نام فتوولتائیک‌های آلی (OPV) شناخته می‌شوند، پتانسیل تولید انرژی خورشیدی به کمک قطعه‌ای سبک، انعطاف‌پذیر و با هزینه کم را دارند. این سلول‌ها می‌توانند در مواد ساختمانی، لوازم الکترونیکی قابل حمل و دستگاه‌های پوشیدنی، یکپارچه شوند. همچنین، مواد آلی می‌توانند بر روی زیرلایه‌های مختلف چاپ شوند و تولید مدارهای الکترونیکی، حسگرها و برچسب‌های RFID انعطاف‌پذیر و قابل تطابق را ممکن می‌سازند. این کاربردها در بسته‌بندی هوشمند، دستگاه‌های پزشکی و منسوجات الکترونیکی استفاده می‌شوند. مواد آلی با سیستم‌های بیولوژیکی سازگارند و بنابراین برای دستگاه‌های بیوالکترونیکی مانند حسگرهای زیستی، الکترودهای زیستی و رابط‌های عصبی مناسب هستند. این مواد در تشخیص‌های پزشکی، سیستم‌های تحویل دارو و مهندسی بافت می‌توانند پیشرفت‌های چشمگیری ایجاد کنند.

چه چیزی در آینده در انتظار ماست؟

در دنیای الکترونیک، آینده سرشار از امکانات و فرصت‌های بی‌پایان است. با پیشرفت محققان در حوزه نوآوری و بررسی مواد جدید، مرحله‌ای برای یک انقلاب فناورانه در حال شکل‌گیری است. جنبه‌های کلیدی آنچه که ممکن است در آینده، پیش رو داشته باشیم عبارتند از:

عملکرد پیشرفته

قطعات الکترونیکی در آینده عملکرد بی‌نظیری را به نمایش خواهند گذاشت که قابلیت‌های دستگاه‌های کنونی را فراتر خواهد برد. با استفاده از موادی همچون گرافن و نانولوله‌های کربنی، می‌توانیم انتظار داشته باشیم که ترانزیستورهای سریع‌تر و کارآمدتر باعث افزایش سرعت پردازش و قدرت محاسباتی شوند. این امر زمینه را برای کاربردهای انقلابی در حوزه‌هایی همچون هوش مصنوعی، محاسبات کوانتومی و وظایف داده‌محور مثل صنایع بانکداری و مالی فراهم خواهد کرد.

کوچک‌سازی

آینده قطعات الکترونیکی شاهد سطح بی‌سابقه‌ای از کوچک‌سازی خواهد بود. با استفاده از موادی مانند نانولوله‌های کربنی و مواد دو بعدی، دستگاه‌ها بدون اینکه عملکردشان تحت تاثیر قرار گیرد، می‌توانند تا ابعاد نانومتری کوچک شوند. این کوچک‌سازی، صنایع مختلفی مانند مراقبت‌های بهداشتی را متحول خواهد کرد. در آینده دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت و ربات‌های نانو می‌توانند برای تشخیص دقیق و تحویل هدفمند داروها مورد استفاده قرار گیرند.

انعطاف‌پذیری و پوشیدنی بودن

لوازم الکترونیکی انعطاف‌پذیر و پوشیدنی در آینده به طور فزاینده‌ای رایج خواهند شد. مواد آلی و مواد دو بعدی مزیت منحصر به فردی در زمینه انعطاف‌پذیری دارند که به دستگاه‌ها اجازه می‌دهند خم شوند، تا بخورند و به سطوح مختلف تطابق پیدا کنند. این ویژگی‌ها امکاناتی همچون لباس‌های هوشمند، نمایشگرهای قابل خم شدن و پوست الکترونیکی برای نظارت بر پارامترهای سلامتی را فراهم می‌آورند و فناوری را به طور یکپارچه در زندگی روزمره ما ادغام می‌کنند.

کارایی انرژی

تقاضا برای لوازم الکترونیکی کارآمد از نظر انرژی همچنان در حال رشد است. مواد جدیدی مانند نیترید گالیوم (GaN) کارایی بالاتر در تبدیل انرژی و کاهش مصرف برق را ارائه می‌دهند، که آن‌ها را برای قطعات الکترونیکی قدرت، خودروهای برقی و دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی ایده‌آل می‌سازد. همچنین، پیشرفت‌ها در سلول‌های خورشیدی پروسکایتی و فتوولتائیک‌های آلی، نوید تولید انرژی تجدیدپذیر با کارایی بالا و هزینه پایین را می‌دهند. در این راستا، با افزایش استفاده از خودروهای برقی، جامعه عمومی به این موضوع توجه بیشتری نشان داده است.

پایداری و تجزیه‌پذیری زیست‌محیطی

آینده قطعات الکترونیکی بر پایداری و آگاهی زیست‌محیطی تمرکز خواهد کرد. مواد آلی که می‌توانند از منابع تجدیدپذیر استخراج شوند، پتانسیل جایگزینی مواد سنتی که برای محیط زیست مضر هستند را دارند. قطعات الکترونیکی تجزیه‌پذیر که از مواد طبیعی تولید می‌شوند، به کاهش ضایعات الکترونیکی کمک کرده و آینده‌ای پایدارتر ایجاد می‌کنند.

ادغام فناوری‌های نوظهور

قطعات الکترونیکی در آینده به طور یکپارچه با فناوری‌های نوظهور ترکیب خواهند شد تا راه‌حل‌های نوآورانه‌ای خلق کنند. در این زمینه می‌توان به ادغام دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT)، هوش مصنوعی، واقعیت مجازی، واقعیت افزوده و فناوری‌های پیشرفته حسگر اشاره کرد. این امر منجر به ساخت خانه‌های هوشمند، شهرهای هوشمند، مراقبت‌های بهداشتی شخصی‌سازی‌شده و تجربیات دیجیتال فراگیر، خواهد شد.

چالش‌ها و ملاحظات اخلاقی

اگرچه استفاده از مواد جدید در طراحی و تولید قطعات الکترونیکی پیشرفت‌های عظیمی را به ارمغان می‌آورد، با این حال با چالش‌ها و ملاحظات اخلاقی متعددی همراه است. موانع فنی مانند سنتز مواد، مقیاس‌پذیری و قابلیت اطمینان باید برطرف شوند تا این مواد جدید به بهره‌برداری تجاری برسند. علاوه بر این، نگرانی‌ها در مورد حریم خصوصی، امنیت و مسائل اخلاقی مربوط به جمع‌آوری داده‌ها و هوش مصنوعی باید مورد توجه قرار گیرند تا از استفاده مسئولانه و مفید از قطعات الکترونیکی آینده اطمینان حاصل شود.

جمع‌بندی

دنیای الکترونیک در آستانه تحولی فراتر از محدودیت‌های سیلیکون سنتی است. ظهور مواد جایگزین می‌تواند آینده صنعت الکترونیک را تغییر دهد. این مواد، ویژگی‌ها و مزایای منحصر به فردی دارند که می‌توانند امکانات جدیدی برای دستگاه‌های پیشرفته، کارآمد و مینیاتوری شده فراهم کنند. محققان، حرفه‌ای‌های صنعت و سیاست‌گذاران باید با یکدیگر همکاری کنند و نیاز به سرمایه‌گذاری در کاوش و توسعه مواد جایگزین دارند. با پشتکار و نوآوری، محققان می‌توانند پتانسیل این مواد را کشف کنند. این امر صنعت الکترونیک را متحول کرده و راه را برای آینده‌ای پیشرفته، پایدار و دستگاه‌های الکترونیکی متصل هموار می‌کند. عصر فراتر از سیلیکون آغاز شده است و امکانات آن وسیع و امیدبخش است.