پایان سلطنت سیلیکون؛ مواد نوظهوری که آینده را می‌سازند

امروزه، نیمه‌رساناها به جزیی جداناپذیر از صنعت الکترونیک تبدیل شده‌اند. همان‌طور که تا اینجا فهمیدیم، با کوچک‌ شدن ابعاد تراشه‌ها، پژوهشگران دنبال جایگزینی مناسب برای سیلیکون هستند. علاوه بر مواد دوبعدی، مواد دیگری مانند نیترید گالیوم (GaN) و سیلیکون کاربید (SiC) نیز وجود دارند که جایگزین‌های مناسبی برای سیلیکون به‌نظر می‌رسند.

سیلیکون کاربید (SiC)، ترکیبی از عناصر سیلیکون و کربن، با خواص برجسته‌‌ی خود توانسته است بسیاری از محدودیت‌های سیلیکون، مانند اتلاف حرارتی زیاد و کارایی پایین در تبدیل انرژی را برطرف کند. این ماده با داشتن گاف انرژی بزرگ‌تر، امکان انتقال انرژی با بهره‌وری بیشتر را فراهم می‌کند و در شرایط سخت مانند دماهای بالا و ولتاژهای شدید، عملکردی پایدار و قابل‌اعتماد ارائه می‌دهد.

یکی از مهم‌ترین کاربردهای این ماده در صنعت خودروهای الکتریکی است. به‌عنوان مثال، در سال ۲۰۱۷ شرکت تسلا با استفاده از مبدل‌های مبتنی بر سیلیکون کاربید، موفق به بهبود راندمان خودروهای الکتریکی خود شد. این فناوری سبب افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش اتلاف آن شد و برد خودروها را تا حدود ۱۵ درصد افزایش داد.

فرآیند تولید سیلیکون کاربید پیچیده و هزینه‌ی تولید آن به‌مراتب بالاتر از سیلیکون است. همچنین، به‌دلیل خواص ویژه‌ی این ماده، تولید تراشه‌های مبتنی بر آن نیز چالش‌برانگیز خواهد بود.

صنعت تراشه در لحظه‌ای سرنوشت‌ساز قرار دارد و سیلیکون که دهه‌ها پایه‌ی اصلی این صنعت بوده، اکنون به محدودیت‌های فیزیکی و عملکردی خود رسیده است. با کوچک‌تر شدن ترانزیستورها و نیاز روزافزون به تراشه‌هایی با سرعت بالاتر و مصرف انرژی کمتر، نیاز به جایگزین‌های جدید، بیش از پیش احساس می‌شود.

موادی مانند گرافن، مکسین، فسفر سیاه و سیلیکون کاربید، با ویژگی‌های منحصربه‌فردشان، توانسته‌اند جایگزین‌های امیدوارکننده‌ای برای سیلیکون باشند. این مواد، به لطف گاف انرژی قابل تنظیم، هدایت الکتریکی بالا و پایداری حرارتی می‌توانند نه تنها چالش‌های سیلیکون را برطرف، بلکه امکان طراحی تراشه‌هایی پیشرفته‌تر را نیز فراهم کنند.

هرکدام از این مواد نقشی کلیدی در آینده‌ی فناوری تراشه‌ها دارند: گرافن با رسانایی بی‌نظیر خود، فسفر سیاه با انرژی گافِ تنظیم‌پذیر و مکسین با قابلیت‌های چندمنظوره. کاربردهای این مواد از خودروهای الکتریکی و انرژی‌های تجدیدپذیر گرفته تا حسگرهای زیستی و محاسبات کوانتومی، نوید انقلابی بزرگ را در دنیای الکترونیک می‌دهد.

با وجود چالش‌هایی مانند هزینه‌ی تولید بالا و نیاز به فناوری‌های پیچیده‌تر برای تولید انبوه، پژوهشگران به‌طور مداوم در حال یافتن راهکارهای نوآورانه برای بهبود این مواد هستند. آینده‌ای نزدیک را می‌توان تصور کرد که در آن تراشه‌ها کوچک‌تر، سریع‌تر و هوشمندتر از همیشه خواهند بود. این تحول عظیم به لطف موادی ممکن می‌شود که همین امروز در آزمایشگاه‌ها توسعه می‌یابند و به‌زودی عصر جدیدی را در فناوری رقم خواهند زد.