Научный дайджест №15

⇡#IBM приблизила эру углеродных чипов

Среди самых значимых событий последних дней следует отметить исследование компании IBM, которое, по её утверждению, ещё на один шаг приближает эру углеродной наноэлектроники. Ещё задолго до получения графена в 2004 году углеродные нанотрубки (CNT, carbon nanotubes) считались одним из наиболее перспективных кандидатов в качестве замены кремния в микросхемах. Но на пути к коммерческому внедрению CNT-технологии стоят труднопреодолимые преграды. Одной из таких преград является сложность достижения высокой плотности размещения углеродных элементов. И учёным из IBM, похоже, удалось ощутимо продвинуться в решении этой проблемы.

В работе High-density integration of carbon nanotubes via chemical self-assembly, опубликованной в последнем выпуске журнала Nature Nanotechnology, исследователи показали новый подход к размещению нанотрубок, который позволяет достичь плотности в 10⁹ элементов на квадратный сантиметр. Это на два порядка больше по сравнению с показателями предшественников. С использованием так называемых ионообменных химических реакций учёным впервые удалось собрать микросхему из более чем 10 тысяч CNT-элементов, которая прошла электрические испытания. При этом для создания чипа использовалось стандартное оборудование, применяемое для производства кремниевых микросхем.

До сих пор для точного позиционирования углеродных нанотрубок на подложке применялось несколько подходов. Наилучшие результаты получены на основах из золота с использованием метода микроконтактной печати или сканирующего зонда. Для того чтобы придать нанотрубкам нужное направление, применялся диэлектрофорез (движение поляризуемых частиц в неоднородном электрическом поле). Но эти методы не позволяют достичь достаточно высокой плотности размещения элементов.

В последнее время получили развитие также методы выборочного размещения, в которых используется текстурированная поверхность (например, SiO₂/HfO₂). При этом нанотрубки осаждаются только на выбранных участках (в данном примере — на HfO₂). В этих методах ключевыми показателями являются не только плотность размещения CNT, но и выборочность размещения (selectivity), характеризующая степень размещения элементов лишь на определённых участках. Данные показатели зачастую взаимоисключающие. Методы, позволяющие добиться высокой плотности размещения, характеризуются плохой выборочностью — и наоборот.

В своей работе учёные из IBM продемонстрировали новый метод выборочного размещения на основе ионного обмена между функциональным монослоем поверхности подложки (NMPI), нанесенным на определённые участки окиси гафния, и нанотрубками в водном растворе, «закутанными» в поверхностно-активные вещества (ПАВ). Сильное электростатическое взаимодействие монослоя и ПАВ нанотрубок вызывает ионный обмен между ними и позволяет добиться рекордно высокой плотности размещения при очень хороших показателях выборочности. Процесс размещения CNT с использованием ионного обмена изображен на рисунке 1а. Высокие плотность размещения и выборочность демонстрируются на изображениях с электронного микроскопа (рис. 1b, 1c и 1d)

Рис. 1. Выборочное размещение CNT с использованием ионного обмена

На рисунке 2а показана зависимость углового выравнивания нанотрубок от их длины при разной ширине канавок. Максимальная плотность размещения достигается при угловом выравнивании 0°. В эксперименте сокращение ширины канавки с 200 до 70 нм позволило уменьшить угловое выравнивание с 75° до 30°.

Рис. 2. Зависимость углового выравнивания CNT от их длины и ширины канавок

Также среди достоинств своего метода исследователи отмечают возможность формирования канавок с одной углеродной нанотрубкой, что в совокупности с высокой плотностью размещения позволяет создавать большое количество транзисторов на одном кристалле. В рамках эксперимента было сформировано 10 тысяч полевых CNT-транзисторов на одном чипе с использованием традиционного полупроводникового оборудования, что позволило быстро провести электрические испытания такого большого количества элементов.

На рисунке 3а показано оптическое и SEM-изображение (с электронного микроскопа) массивов полевых транзисторов на углеродных нанотрубках. Рисунки 3b и 3d демонстрируют подпороговые характеристики (область характеристик при напряжении на затворе меньше порогового значения) массива из 310 транзисторов. Как объясняют исследователи, согласно графикам, выход годных устройств составляет 90%. Изначально этот показатель составлял около 50%. Для его увеличения был использован более эффективный процесс очистки поверхности подложек.

Рис. 3. Исследование CNT-транзисторов

Безусловно, это исследование является шагом вперёд на пути к коммерциализации CNT-микросхем. Но таких шажков ещё придётся проделать очень много.

⇡#«Разлагаемая» электроника

Пока одни учёные ломают головы над созданием новых сложнейших устройств, другие ищут методы их эффективного разрушения. Исследования в этом направлении обусловлены различными задачами. Например, Национальная физическая лаборатория совместно с партнёрами, компаниями In2Tec и Gwent Electronics Materials, задумалась над проблемой утилизации электронных устройств. Только в Великобритании ежегодно выбрасываются более 100 миллионов таких приборов, и объёмы отходов этого типа стремительно растут.

Целью проекта ReUSE (Reuseable, Unzippable, Sustainable Electronics) является увеличение степени утилизации компонентов печатных плат. Исследователи разработали и протестировали целую серию полимерных слоёв, которые при окунании в горячую воду позволяют легко отсоединить электронные элементы от платы. Использование таких материалов позволяет повторно использовать до 90% компонентов, тогда как в традиционных печатных платах этот показатель не превышает 2%. Наглядно работа технологии продемонстрирована в следующем видеоролике.

Проблема эффективного разложения устройств важна и для медицинских приложений. Имплантируемые приборы должны действовать на протяжении определённого времени, после чего полностью исчезнуть с помощью поглощения и выведения организмом. В работе A physically transient form of silicon electronics (DOI: 10.1126/science.1226325), опубликованной в последнем выпуске журнала Science, ученые исследуют материалы, производственные схемы, компоненты устройств и инструменты дизайна микросхем для приборов на базе КМОП-технологии, которые бы могли со временем полностью растворяться.

На рисунках 4А и 4B показаны схематические диаграммы платформы, все компоненты которой, включая конденсаторы, диоды, транзисторы, сопротивления, межсоединения и основу, распадаются и растворяются при погружении в обычную деионизированную воду.

Рис. 4. Схематические диаграммы имплантируемой электроники

Здесь используются проводники из магния, изоляторы из окиси магния (окись кремния также возможна), наномембраны из монокристаллического кремния в качестве полупроводников и шелковая основа. Для производства этих систем исследователи использовали такие технологии, как трансферная печать, осаждение из паро-газовой фазы и другие, а при необходимости замедления разложения устройств их можно помещать в дополнительные защитные оболочки. Типичный транзистор включает менее 1 микрограмма кремния, который можно растворить тридцатью микролитрами биораствора.

В рамках экспериментальной части учёные создали растворимый сенсор изображения (из 64 пикселей рабочими оказались 58), прототип кремниевой солнечной ячейки и другие устройства. Одно из своих изделий они имплантировали в подопытную крысу. Через три недели от него остались незначительные следы, а на поражённых участках зафиксировано видимое заживление.

Рис. 5. Растворение имплантата в теле крысы

Имплантируемая электроника может оказаться полезной не только в медицинской сфере. Возможно, в не таком уж далёком будущем интегрированные под кожу плееры, смартфоны или навигаторы станут привычным делом. Также исследователи отмечают важность разработки технологий «разложения» электроники для охраны экологической среды. Многие пользователи выбрасывают свои устаревшие портативные устройства уже через 2-3 года, что создаёт большой поток отходов, со временем только нарастающий.

⇡#Беспроводная зарядка для электромобилей

Не менее актуальной выглядит разработка учёных из Университета Британской Колумбии. С развитием электромобилей остро встаёт вопрос об удобстве их подзарядки, и канадские исследователи неплохо продвинулись вперёд в решении этой проблемы. Как утверждается, им удалось создать безопасную и эффективную технологию беспроводной зарядки электромобилей, которая уже, кстати, успешно протестирована водителями автопарка университетского кампуса.

Технология UBC Wireless Charging использует вращающиеся постоянные магниты на источнике и приёмнике энергии вместо резонансной индуктивной связи (когда обе катушки настроены на резонансную частоту). Это позволяет передавать энергию мощностью от нескольких милливатт до киловатт без проводов с малыми, по сравнению с показателями систем с резонансной индуктивной связью, потерями и на низкой частоте. Учёные утверждают, что благодаря низкой частоте их технология безопасна для здоровья, а риск конфликтов с высокочастотными беспроводными устройствами минимален. О принципах работы системы рассказано в видеоролике ниже.

Первая экспериментальная беспроводная зарядная станция была установлена на территории кампуса ещё в декабре 2011 года. На протяжении тестового периода она показала стойкость к погодным условиям, включая минусовую температуру, дождь и снег. По сравнению с конкурентными решениями новая система отличается меньшей занимаемой площадью. Также отмечается полностью автоматическая работа. Водителю достаточно припарковаться соответствующим образом — и процесс зарядки запустится сам, при этом система подаст звуковой сигнал.

Исследователи уже подали патентную заявку на свою технологию. Подробнее о проекте можно почитать здесь.

⇡#IT-ориентированная периодическая таблица элементов

Завершим наш выпуск шуточной заметкой о «периодической таблице элементов техники», предложенной нашими коллегами с интернет-ресурса Techhive. Несмотря на юмористический оттенок исследования, составленная таблица довольно познавательна. Большинство химических элементов журналисты сопоставили с ключевыми «гаджетами», в которых эти элементы играют основную роль. Здесь представлены самые разнообразные устройства.

Рис. 6. «Периодическая таблица гаджетов»

Расшифруем отдельные элементы. Под водородом, который является главным компонентом топливных ячеек некоторых автомобилей, скрывается гибридный автомобиль, такой как Mazda Premacy Hydrogen RE. Гелий используется в качестве хладагента многими компьютерными энтузиастами для экстремального оверклокинга. В частности, с использованием жидкого гелия был поставлен рекорд разгона процессора микроархитектуры Bulldozer, который и изображен в соответствующей клеточке таблицы. Ещё с 20-х годов прошлого столетия неон использовался в телевизионных трубках. Его можно найти и в современных плазменных ТВ, таких как Panasonic Smart Viera ST50. Кальций в составе химического соединения фторид кальция с давних пор используется для снижения дисперсии в фотографии. Его можно найти в объективе Canon EF 17-40mm ƒ/4L USM. Соединения гадолиния используются для изготовления компакт-дисков.

Более подробная информация содержится по ссылке. А табличку на досуге можете дополнить собственными открытиями.