IT-Байки: солнечное электричество из нанотрубок / Аналитика

Изучение свойств первых полупроводников из кремния, германия, арсенида галлия и индия; последовавший затем выпуск первых полупроводниковых приборов - диодов, фотодиодов, светодиодов, тиристоров, транзисторов, сборок, микросхем, процессоров и пр., вызвал к жизни множество новых классов необычных устройств, аналогов которых ранее не существовало. И хотя в плане зарождения и становления первых вычислительных систем пальма первенства всё же принадлежит лампам, без полупроводниковых транзисторов не появилось бы микросхем (миниатюрные лампы – это было действительно печальное зрелище), а без микросхем не появились бы настольные и мобильные ПК, удивительная мобильная связь и половина привычных чудес нашего века. Опять же, фотоэффект был открыт давным-давно, но было бы возможно массовое преобразование энергии солнца в электричество без полупроводников? Сегодня же мы находимся в обратной ситуации: есть множество известных сфер применения полупроводников и огромный спрос на более производительные, экономичные и дешёвые полупроводники. Есть даже настойчивое желание заменить сегодняшние полупроводниковые материалы на что угодно, лишь бы не останавливался технический прогресс. Ведь в конечном счёте совсем неважно из чего будут сделаны полупроводники будущего, главное, чтоб были лучше нынешних. Итого, в отличие от первопроходцев, мы уже точно знаем зачем нам нужны новые полупроводники. Таким образом, можно предположить, что потенциально любые исследования учёных в этой области чрезвычайно выгодны. Ибо когда дойдёт до практической, коммерческой фазы внедрения новых типов полупроводников, дело пойдёт гораздо более быстрыми темпами, чем в своё время это происходило с первыми полупроводниками. Пожалуй, именно этим в первую очередь можно объяснить такой высокий интерес международного учёного сообщества и их спонсоров к исследованиям в области перспективных материалов для создания новых полупроводников. По сути, никто ведь всерьёз не планирует открыть у новых полупроводников какие-то невиданные свойства вроде чтения мысленных волн, будет достаточно того, что они покажут лучшие характеристики в уже известных приложениях.

В наших публикациях мы уже неоднократно освещали тему многообещающих полупроводников на базе углеродных нанотрубок (CNT, Carbon Nanotube). Самая простая однослойная углеродная нанотрубка представляет из себя мономерную углеродную структуру, способную демонстрировать как металлические, так и полупроводниковые свойства. Свойства многослойных трубок ещё разнообразнее, но сегодня речь не об этом.

Эпоха полупроводникового кремния, по многим признакам, закончится достаточно скоро – ориентировочно в ближайшее десятилетие. Не исключено, что к тому времени ему найдётся несколько вариантов "замены" – вплоть до искусственных ДНК, однако потенциал уже обнаруженных и исследованных полезных свойств многочисленных типов полупроводниковых углеродных нанотрубок (semiconducting nanotubes, s-SWNT) столь разнообразен и велик, что уж который год именно эти трубки позиционируются в качестве основного кандидата на замену кремнию. В последние годы учёные значительно ускорили исследования свойств полупроводников на базе углеродных нанотрубок. И хотя о массовом внедрении этих новинок пока говорить рано – как-никак, речь всё же о нанометровых технологиях, никаких сомнений в перспективном будущем CNT-полупроводников нет. Уже разработаны сравнительно простые способы получения обоих типов CNT-полупроводников – и n-, и p-типа; имеется великое множество лабораторно подтверждённых способов создания высокопроизводительных диодов, транзисторов, светодиодов и даже некоторых подобий матриц. А в последнее время учёные заговорили даже о возможности создания солнечных батарей на базе полупроводников из углеродных нанотрубок.

В последнем выпуске журнала Science от 11 сентября 2009 года группа учёных из Корнельского университета (Cornell University, Итака, Нью-Йорк) под руководством профессора физики Пола МакЭуна (Paul McEuen) и доцента химических и химико-биологических наук Дживунга Пака (Jiwoong Park) представила статью с подробным описанием свойств фотодиода на базе отдельной углеродной нанотрубки. Более того, уже на этом, первичном этапе, учёным удалось смоделировать реальное приложение – отдельную ячейку солнечной батареи, и в процессе исследования добиться очень высокой эффективности преобразования света в электричество.

В своих экспериментах учёные использовали однослойные углеродные нанотрубки (Single wall carbon nanotube, SWNT), изготовленные с применением стандартной фотолитографической технологии. Полупроводниковый 3-4 мкм канал с молибденовыми контактами 50-нм толщины и 1-мкм областью каждого из двух затворов был сформирован с помощью электронно-лучевого выпаривания на легированной кремниевой подложке с 100-нм слоем оксида кремния, а сами нанотрубки диаметром 1-4 нм выращивались способом химического осаждения из паровой фазы с применением катализатора на основе железа при температуре 700-1050°C. В конце процесса были сформированы контактные площадки для нанотрубки (5-нм хром, 50-нм золото). Измерение вольт-амперных характеристик полученных приборов показало свойства, типичные для полевых транзисторов на базе углеродных нанотрубок с проводимостью p-типа и n-типа. Для последующих экспериментов были отобраны образцы с устойчивой областью срабатывания между проводимостью p-типа и n-типа. Размеры нанотрубок, измерявшиеся электронным микроскопом Dimension 3100, столь малы, что сравнить их можно разве что с габаритами молекулы ДНК.

Работы по изготовлению полупроводников на основе углеродных нанотрубок учёные проводили в рамках более широкого эксперимента по изучению свойств CNT-диодов. Однако на одном из этапов исследований было решено провести дополнительные опыты по воздействию на полученные устройства внешним источником света с различной длиной волны, для чего применялся настраиваемый аргоново-криптоновый лазер (LS 2) и настраиваемый инфракрасный лазер (LS 3). Сам полупроводник при этом размещался в гелиевом криостате (CRYO), охлаждённом до температуры 4К.

Результаты экспериментов позволяют говорить о получении стабильной фотоэлектронной эмиссии с помощью полупроводников на основе углеродных нанотрубок в широком диапазоне световой гаммы. Более того, в перспективе, по утверждениям учёных, такие полупроводники могут оказаться чуть ли не идеальными фотоэлементами для солнечных батарей. Они, в отличие от современных солнечных батарей, не растрачивают часть собранной энергии в виде побочной генерации тепла и не требуют дополнительного охлаждения.

Собственно говоря, это всё, что на сегодняшний день существенного можно рассказать об исследованиях фотодиодов на базе полупроводников из углеродных нанотрубок, проводящихся в Корнельском университете. Дальше начинаются научно-популярные фантазии журналистов и самих учёных, прямо заинтересованных в повышенном внимании к изучаемым ими вопросам. Мол, в будущем углеродные трубки станут основой нового поколения полупроводников для солнечной энергетики, будут трудиться в устройствах фотоники будущего и так далее. К сожалению, в публикации ни слова про хотя бы примерные сроки доведения идеи до массового внедрения: если учёные готовы рассуждать о великих выгодах, но никак не обозначают перспективы коммерциализации – хотя бы обозримым десятком лет, это верный знак того, что исследования находятся в самом начале. Однако точно можно быть уверенным в одном: без мощной финансовой поддержки такие исследования точно не останутся. Как бы долго не длилась исследовательская фаза, рано или поздно наступит пора ставить технологию на поток, и уж тогда все спонсорские вложения окупятся многократно. Вложения в столь перспективный хайтек всегда окупаются. Хотелось бы, чтобы об этом не забывало и российское правительство.

Ссылки по теме:

Материалы для дополнительного чтения: