Научный дайджест. Выпуск №6

⇡#Транзистор на основе изолятора Мотта

На протяжении последних шестидесяти лет технологии производства транзисторов развиваются с впечатляющей скоростью. Благодаря прогрессу в этой отрасли, микросхемы становятся всё меньше, а плотность размещения транзисторов — всё выше. Но увеличением количества транзисторов на кристалле перспективы развития отрасли не ограничиваются.

В прошлом выпуске мы сообщали об идее использования вакуума в качестве диэлектрика в новых транзисторах. На днях по-своему интересное изобретение показали также сотрудники RIKEN, крупнейшего научно-исследовательского института в Японии. Их разработка, называемая прототипом транзистора Мотта и функицонирующая при комнатной температуре и напряжении питания всего 1 вольт, может стать новым «кирпичиком» для построения более совершенных электронных устройств с малой потребляемой мощностью, энергонезависимой памяти и оптических переключателей.

Ключевым в создании такого устройства стало использование диоксида ванадия, известного как изолятор Мотта. Этот материал обладает высоким сопротивлением, но при подаче напряжения переходит в состояние с металлическими свойствами, то есть в проводник. Эксперименты показали, что разница потенциалов всего в 1 вольт способна вызвать падение сопротивления на несколько порядков. При этом важно отметить, что, в отличие от традиционных полупроводниковых транзисторов, изменение фазового состояния в созданном учеными из RIKEN прототипе распространяется не только на поверхности канала, но и в его глубине. То есть через канал проходит гораздо большее количество носителей заряда.

Ещё одно интересное наблюдение ученых: при увеличении напряжения до +3 В сопротивление упало ещё на два порядка. При снижении напряжения до нуля фазовое состояние оставалось стабильным, и только при подаче обратного напряжения от -2 до -3 В сопротивление вновь резко повысилось. Это свойство — сохранять заряд — позволяет использовать транзистор такого типа в устройствах энергонезависимой памяти.

Прототип транзистора Мотта был создан напылением тонкой плёнки диоксида ванадия на подложку из диоксида титана, с позолоченными титановыми электродами. Ключевым решением для создания работающего прототипа стало покрытие слоя оксида ванадия органической ионной жидкостью, которая позволяет устранить эффект экранирования поля Томаса — Ферми, препятствующий перемещению электронов. К сожалению, как отмечают источники, использование ионной жидкости не позволяет назвать разработку практичной и готовой к коммерческому выпуску. Кроме того, коэффициент усиления по току у лабораторного образца существенно ниже, чем у современных полевых транзисторов. Так что исследователям предстоит решить ещё очень много проблем на пути к разработке транзистора Мотта, который может найти применение в реальных устройствах. Подробнее читайте в статье Collective bulk carrier delocalization driven by electrostatic surface charge accumulation (DOI: 10.1038/nature11296).

⇡#«Память с храповым механизмом»

Если прототип транзистора Мотта является хотя бы работающим образцом, то новое творение датских ученых из Технического университета Эйндховена имеет ещё более туманные перспективы. Хотя интерес она представляет большой, ведь, как отмечают изобретатели, «храповая» память (rattle memory) в будущем может заменить традиционные жесткие диски благодаря более высокой производительности, малой потребляемой мощности, а также на порядок более длительному сроку службы.

Битами в предлагаемом регистре сдвига служат перпендикулярно намагниченные области, которые обозначены на рисунке желтыми кружочками. Исследователям удалось создать контролируемое влияние на магнитные нанонити и управлять ими даже в нанометровых масштабах. В рамках эксперимента была продемонстрирована возможность связно перемещать цепочки битов без утраты информации, которую они в себе несут. Суть эксперимента довольно проста для понимания. Для перемещения битов к нанонити было приложено пилообразное напряжение, которое заставляет двигаться так называемые доменные стенки (переходные области, разделительные границы между битами) только в одном направлении. Несмотря на постоянное изменение вектора магнитного поля, биты перемещаются на одну позицию влево. Нанонить была изогнута в форме замкнутого кольца, которое вращалось, а биты при этом сохраняли свои позиции относительно друг друга. По принципу работы ученые сравнили сравнили свое изобретение с храповиком — этакой шестерёнкой с ассиметричными зубьями, которая позволяет оси вращаться только в одном направлении (используется, например, в турникетах).

В публикации Shift registers based on magnetic domain wall ratchets with perpendicular anisotropy (DOI: 10.1038/nnano.2012.111) говорится о том, что предложенный регистр сдвига может стать основой для памяти и логических схем нового поколения. Но та стадия, на которой сейчас находится разработка, не позволяет нам пока оценить её реальные перспективы.

⇡#Гибкий аккумулятор с самой высокой плотностью энергии

Гораздо более практичное изобретение, пользу от которого рядовой потребитель сможет получить уже в ближайшем будущем, представили ученые из Корейского передового института науки и техники (Korea Advanced Institute of Science and Technology) и Сеульского национального университета (Seoul National University). Разработка высокоэффективных гибких источников электроэнергии сейчас интересна почти всем, так как без них невозможна реализация полноценных сворачиваемых, имплантируемых и носимых электронных систем. Одними из наиболее перспективных являются литиево-ионные аккумуляторы с гибкими электродами, но для этих электродов подходят лишь некоторые, чаще всего дорогие материалы, а сами по себе такие аккумуляторы обладают недостаточной мощностью для гибкой потребительской электроники, такой как, например, сворачиваемые дисплеи.

Корейские исследователи предложили гибкую тонкоплёночную литиево-ионную батарею, стабильно работающую независимо от материала, из которого изготовлены электроды. Кроме того, они показали возможность высокотемпературного формирования отожженных электродов на полимерной основе, что позволяет достичь высокой эффективности аккумулятора. Созданный аккумулятор интегрирован с гибкой светодиодной панелью, что является примером электронной системы «всё в одном», умеющей еще и сгибаться. Одним из его главных достоинств является энергетическая плотность 2,2x10³ мкВт/см³ — это самое высокое значение в отрасли для гибких батарей, утверждают изобретатели.

Производство гибкого тонкоплёночного аккумулятора начинается со стандартного технологического процесса на подложке из пластины слюды. Все необходимые элементы, включая катодный токовый коллектор, отожжённый катод из оксида лития и кобальта, литиевый анод и защитные многослойные покрытия, методом вакуумного напыления наносятся на основу. Далее идёт процесс отслаивания слюды и последующего переноса компонентов аккумулятора на специальный гибкий полимерный лист. На завершающем этапе к батарее крепится ещё один полимерный лист, чтобы повысить её механическую прочность. В большинстве работ, посвященных созданию гибкого аккумулятора, авторы предупреждают об необходимости соблюдать осторожность при применении лития в качестве анода, так как он может стать причиной взрыва. Но разработка корейских ученых, благодаря подобранным материалам и использованию собственного производственного метода, позволяет выпускать безопасную гибкую батарею с литиевым анодом и высокой мощностью. Аккумулятор может заряжаться при напряжении 4,2 В до удельной ёмкости 106 мА*ч/см², что также является лучшим показателем в отрасли.

Сейчас разработчики рассматривают возможность внедрения в производственный процесс одноэтапного отслаивания слюды с помощью лазерной установки, что поможет упростить и, соответственно, удешевить массовый выпуск гибких аккумуляторов.

⇡#Робот-водомерка

Напоследок, как и было обещано, разбавим поток сухих новостей из мира науки рассказом об интересном роботе, который имитирует движения водомерки. Согласно утверждению изобретателей, это первый в мире такой робот, способный не только прогуливаться по воде, но и прыгать по её поверхности точь-в-точь как водяной клоп. Функция «прыжка» позволяет роботу преодолевать различные препятствия, которые не под силу конкурентам, умеющим только передвигаться по поверхности воды.

Среди возможностей робота-водомерки профессор Университета Ватерлоо (University of Waterloo) Кинмин Пэн (Qinmin Pan) и его команда отмечают мониторинг качества воды и способность играть роль миниатюрного незаметного шпиона. Разработки с подобной функциональностью уже есть. Из них можно выделить проект Water Strider Robot (STRIDE) исследовательского подразделения NanoRobotics Lab Университета Карнеги — Меллона. Этот робот включает базовый модуль с источником питания, электроникой и актуаторами (A), ноги с опорными площадками (B), которые удерживают робота на поверхности воды, модуль приведения устройства в движение, представленный ногами-вёслами (C), моторами и механизмами для генерации эллиптического движения.

А вот так STRIDE двигается.

Главной же отличительной особенностью изобретения Пэна и компании является возможность прыгать. Реализовать данную функцию оказалось непросто. Многие дизайнеры сталкивались с проблемой отталкивания от воды. Для её решения исследователи использовали инновационные механизмы и материалы. Три опорных ноги, а также пара прыгающих ног выполнены из так называемой пористой никелевой пены, обладающей превосходными водоотталкивающими свойствами. Кроме того, существенно увеличена площадь «ступней». Благодаря такой конструкции робот смог перепрыгнуть барьер высотой более 5,5 дюймов, или около 14 см. При этом его масса примерно в 1100 раз превышает массу реальной водомерки. В экспериментах робот также прыгал в длину на 36 см, что вдвое больше его собственной длины. В момент отталкивания от воды его скорость достигала 1,86 м/с. А вот и видео прыгающего робота.

Забавно, не правда ли? Робот-водомерка впервые был представлен ещё в прошлом году. Он умел только передвигаться по воде. Но уже тогда в него были заложены уникальные черты, отличающие его от других решений. Робот, разработанный группой во главе с Пэном, стал первым подобным устройством с высокой скоростью движения и сравнительно низкой себестоимостью.