Научный дайджест. Выпуск №10 / Аналитика

⇡#Нанонити с полупроводниковыми свойствами

Пресса с завидной регулярностью пестрит громкими заголовками об открытиях, которые сулят нам светлое «бескремниевое» будущее электроники. Помимо графена, свойства которого активно изучаются уже много лет, предлагаются самые разнообразные материалы в качестве замены кремния. В наших «Научных дайджестах» этой теме также уделяется достаточно много внимания. Вспомнить хотя бы публикации о прототипе транзистора Мотта на основе диоксида ванадия или открытии интересных свойств двумерного полупроводникового материала — бисульфида молибдена.

Как показали результаты исследования ученых из Университета штата Нью-Йорк в Буффало (University at Buffalo), оксидная ванадиевая бронза с двухвалентным свинцом ?-Pb_0,33V₂O₅ также имеет перспективы использования в электронике. Результаты исследования опубликованы в работе под названием Charge Disproportionation and Voltage-Induced Metal-Insulator Transitions Evidenced in ?-Pb_xV₂O₅ Nanowires в недавнем выпуске журнала Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201201513/). Отметим, поиск материалов, которые в будущем могут заменить кремний, является одним из приоритетных направлений исследований этой группы американских ученых.

Нанонити толщиной 180 нм. Фото Питера Марли (Peter Marley)

Особенность полученного учеными материала заключается в его способности переключаться между фазовыми состояниями «проводник» и «изолятор» при комнатной температуре (это свойство впервые замечено для материалов такого типа, что представляет интерес для дальнейших исследований). Для такого переключения достаточно воздействия электрического поля. При подаче напряжения нанонити превращаются из изолятора с высоким сопротивлением (такое состояние можно интерпретировать в бинарном коде как «0») в материал с металлическими свойствами («1»), легко проводящий электричество. Интересно, что такие полупроводниковые свойства ?-Pb_0,33V₂O₅ проявляет только в особой наноструктурной форме. В публикации утверждается, что нанонити из оксидной ванадиевой бронзы отличаются более высокими скоростями переключения по сравнению с приборами на основе кремния.

Кристаллическая структура ?-Pb_0,33V₂O₅

Нанонити ?-Pb_0,33V₂O₅ были синтезированы с помощью гидротермической реакции ацетата свинца с оксидной ванадиевой пудрой V₂O₅. Полученное вещество в стехиометрическом состоянии (в виде смеси) было помещено в герметичный автоклав с добавлением 16 мл воды. Далее смесь нагревали при температуре 250 градусов Цельсия на протяжении 72 часов. Затем смесь была отфильтрована вакуумом, очищена небольшим количеством воды и высушена на воздухе. Таким способом исследователям удалось получить нанонити длиной более 100 мкм.

Проведённые эксперименты показали зависимость напряжения, при котором происходит фазовое переключение материала, от температуры. При температуре 152 градуса по Кельвину переход в проводящее состояние происходил при напряжении около 4,8 В. Для обратного переключения напряжение было снижено до 3 В. Повышение температуры уменьшало пороговое значение напряжения, которое инициировало смену фазового состояния. Уже при 195 градусах по Кельвину оно составляло около 4 В. Для защиты материала от сильного нагревания ток был ограничен значением 250 мА.

Вольт-амперная характеристика нанонитей

Что касается перспектив внедрения данной разработки, то пока всё слишком туманно. Сами учёные сейчас лишь любуются интересными свойствами нанонитей и говорят об их возможном применении в электронике будущего. Кроме того, есть ещё один подводный камень. Исследуемый материал содержит соединения свинца, и его потенциально вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду ещё предстоит тщательно изучить.

⇡#Первое успешное выращивание полупроводников на графите и графене

С гораздо большей уверенностью о перспективности своей разработки говорят исследователи из Норвежского университета науки и технологии (NTNU). В отличие от предыдущей заметки, в которой говорится лишь о потенциальной возможности использовать интересные свойства некоего (даже, возможно, опасного для здоровья) материала, новость о выращивании полупроводников на графите и графене кажется куда более практичной и близкой к реальности. По крайней мере ученые уже успели запатентовать технологию выращивания нанонитей из арсенида галлия (GaAs) на графите и графеновой основе (подано примерно пять заявок на патенты).

Полученный гибридный материал отличается полезными свойствами, которые можно использовать в электронике. Профессор NTNU Хельге Веман (Helge Weman) отмечает превосходные оптоэлектронные свойства нового материала. Интересно, что он является также главным техническим директором и одним из основателей компании CrayoNano AS, которая создана специально для коммерциализации разработки. Среди главных достоинств электрода на основе нового материала господин Веман называет его низкую себестоимость, прозрачность, а также гибкость.

Руководство компании CrayNano AS

Для тех, кто любит технические детали, приведём несколько найденных в соответствующей научной публикации подробностей о новой технологии. Для выращивания полупроводников на так называемом киш-графите (высокоориентированный пиролитический графит) основа была сперва очищена ацетоном и этанолом. Температура роста составила 540 градусов Цельсия. В случае с многослойным графеном (4-5 слоёв) в качестве основы был взят эпитаксиально выращенный на карбиде кремния графен. Эпитаксиальный рост графена проводился при температуре 2000 градусов Цельсия и давлении 1 атм. Для выращивания полупроводниковых структур использовались такие же параметры, как и для графитовой основы.

Изображение GaAs-нанонитей, выращенных на графите

Изображение GaAs-нанонитей, выращенных на графене

Полупроводниковые нанонити были нанесены на графитовые основы с использованием так называемого механизма самостоятельно катализирующегося роста структур «пар-жидкость-кристалл» (ПЖК). Использование этой техники позволило получить структуры правильной гексагональной формы, при этом нанонити имели одинаковые длину и диаметр.

Расположение атомов Ga или As в плоскости над решёткой графена

В рамках исследований ученые также создали прототип фотодетектора на основе гибридного материала, который продемонстрировал высокие качественные характеристики. Среди других потенциальных приложений, где может найти применение технология компании CrayoNano AS, отмечаются фотогальванические элементы, светодиоды, термо- и пьезоэлектрические приборы, 3D-микросхемы.

Подробнее о новой технологии можно почитать в статье Vertically Aligned GaAs Nanowires on Graphite and Few-Layer Graphene, DOI: 10.1021/nl3018115.

⇡#И снова о роботах…

Хотелось рассказать ещё о нескольких исследованиях в области электроники, но их перспективы внедрения настолько далёкие и неясные, что мы решили не раздражать вас среди рабочей недели. Так что вместо этого предлагаем поразвлечься знакомством с парочкой интересных разработок из мира робототехники.

На днях агентство DARPA совместно с компанией Boston Dynamics, специализирующейся в области разработки роботов, представила усовершенствованную версию своего детища под названием Legged Squad Support System (LS3). Платформа прошла первые испытания ранее в этом году. Целью данного проекта является создание робота, умеющего ходить, который способен переносить тяжелые вещи за своего хозяина, автономно следовать за ним, преодолевая разные препятствия на пути, и при этом понимает различные вербальные и визуальные команды человека. Пока что LS3 нацелен на удовлетворение нужд армии, но этот робот вполне может оказаться полезным и для гражданских потребностей.

Фотография робота-мула LS3

Одним из главных недостатков предыдущей версии разработки являлся сильный шум, создаваемый при движении робота. Он был настолько громким, что даже разговаривать, находясь рядом с роботом-мулом, было довольно затруднительно. Усовершенствованная модель в десять раз тише предшественника. Ещё одним важным шагом вперёд является увеличение скорости ходьбы с 0,45 до 1,35 м/с. Новый LS3 способен передвигаться по каменистой местности или по лесу, преодолевает преграды, легко переходит к бегу трусцой со скоростью 2,25 м/с, умеет бегать по ровной поверхности на скорости до 3,15 м/с.

Следующая разработка также отличается практической направленностью и заслуживает внимания. Речь пойдёт о самом быстром в мире бегающем роботе, о котором вы уже, вероятно, слышали, — Cheetah. Этот робот создан в рамках проекта Maximum Mobility and Manipulation (M3) все той же компанией Boston Dynamics при поддержке DARPA. Целью этой программы является постройка робота, который может очень оперативно передвигаться по местности со сложными препятствиями. Такое устройство может оказаться полезным, например, при оказании помощи спасателям, для экстренной доставки медикаментов или инструментов в условиях стихийных бедствий, а также в других ситуациях. Большинство роботов, нацеленных на такие приложения, для передвижения используют колёса или гусеницы. Но на местности с множеством ям, камней и других препятствий гораздо эффективнее будет работать робот с ногами.

Робот Cheetah в действии

Ранее Cheetah уже устанавливал скоростные рекорды. Но теперь он вновь превзошел свои собственные достижения. При этом Cheetah также опередил самого быстрого человека планеты, который в 2009 году достиг скорости 27,78 мили в час (около 12,5 м/с). Его скорость составила 28,3 мили в час (около 12,735 м/с). Правда, человек и робот были поставлены в разные условия. Испытания Cheetah проводились на беговой дорожке, и почти всю свою мощность он расходовал не на продвижение вперёд, а на быстрое отталкивание и перебирание ногами.