نشرت المجلة العلمية الشهيرة (Advanced Materials) في إصدار خاص، مقالة بحثية بعنوان "الدوائر الإلكترونية المصنوعة من مواد ثنائية الأبعاد"، من تأليف البروفيسور ماريو لانزا، الأستاذ المشارك في هندسة وعلوم المواد في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست)، تستكشف استخدام المواد ثنائية الأبعاد في إنشاء أجهزة جديدة. وشارك في تأليف هذه الورقة البروفيسورة لوليانا رادو، الباحثة من شركة تايوان لصناعة أشباه الموصلات المحدودة (TSMC)، التي تنتج 60% من الرقائق الإلكترونية الدقيقة في العالم.

تحدثت المقالة عن قدرة المواد ذات الطبقات ثنائية الأبعاد على إحداث ثورة في مجال صناعة الأجهزة والدوائر الإلكترونية الدقيقة أو "النانوية ذات الحالة الصلبة"، نظرًا لخصائصها الإلكترونية والفيزيائية والكيميائية والحرارية المتميزة. حيث يمكن إنشاء أجهزة بمفاهيم جديدة تتجاوز تقنية أشباه الموصّلات ذات الأكاسيد المعدنية المُتتامة (CMOS). وسبق أن أقترح بعض من كبار العلماء وشركات التقنية العالية إمكانية استخدام المواد ثنائية الأبعاد للتخفيف من قيود تقنيات السيليكون، والمساعدة في تمديد "قانون مور" الذي ينص على أن عدد الترانزستورات على شريحة المعالج يتضاعف تقريبًا كل عامين، في حين يبقى سعر الشريحة على حاله.

يشار إلى أن كبار مصنعي الرقائق الدقيقة مثل شركات (TSMC) وسامسونج وإنتل وآي بي إم، فضلًا عن معاهد أبحاث أشباه الموصلات مثل معهد الإلكترونيات الدقيقة (IMEC) يعملون بالفعل على تطوير نموذج أولي للترانزستورات ذات التأثير الميداني مع قنوات أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد. حيث تسرد خارطة الطريق الدولية للأجهزة والأنظمة (IRDS) – وهي وثيقة كتبها مجموعة عالمية من الخبراء الرائدين في الصناعة (الذين توقعوا تطورات مهمة في الماضي) - تسرد المواد ثنائية الأبعاد كخيار للترانزستورات التجارية وغيرها من الأجهزة التي تتجاوز تقنية (CMOS) بحلول عام 2028.

ويلاحظ الآن، أن المواد ثنائية الأبعاد قد بدأت تستخدم في بعض المنتجات التجارية التي لا تتطلب كثافة تكامل عالية، مثل أجهزة الاستشعار والكاميرات المتخصصة. وفي هذه الأجهزة التي تعتبر كبيرة مقارنة بالدوائر الكهربائية، لا يكون تأثير العيوب المحلية في المواد ثنائية الأبعاد ضارًا جدًا. ومع ذلك، لا يزال الأمر قيد البحث خصوصًا في الدوائر الإلكترونية التجارية عالية الكثافة والتكامل التي يمكنها استغلال كامل خصائص المواد ثنائية الأبعاد. نأمل، عندما تبدأ المواد ثنائية الأبعاد في الدخول إلى المختبرات الصناعية، أن نتمكن من تقليل كثافة العيوب والتلوث المحلي بحيث يمكن تطوير أجهزة ذات أداء فائق وموثوقية أفضل.

فيما يتعلق بالبحث الاستكشافي، فإن الخطوات التالية التي يجب اتخاذها في مجال المواد ثنائية الأبعاد هي تطويرأجهزة موثوقة ونموذج أولي للدوائر الإلكترونية القادرة على تنفيذ العمليات التي لا تستطيع الأجهزة الفردية القيام بها، مثل البوابات المنطقية باستخدام الترانزستورات أو مضاعفة المصفوفة المتجهة باستخدام مصفوفات العارضة مثل مقاومات الذاكرة (memristors) وغيرها.

وفي السياق نفسه، غطى هذا العدد الخاص من مجلة (Advanced Materials) بعضًا من العلوم الأكثر تقدمًا في مجال الدوائر الإلكترونية القائمة على المواد ثنائية الأبعاد، من خلال 21 مقالة لكبار الخبراء تناولت جوانب متعددة تتعلق بتصنيع وتوصيف ونمذجة الدوائر الإلكترونية المصنوعة من المواد ثنائية الأبعاد.

وبالإضافة إلى الاستشهاد ببحوث البروفيسور لانزا، تضمن الإصدار الخاص بحثًا أجراه كل من البروفيسور زيانغ زانغ والبروفيسور حسام الشريف المتخصصان في هندسة وعلوم المواد في كاوست. 

المزيد من المعلومات في الرابط التالي Electronic circuits made of 2D materials