Группа учёных из Университета Карнеги-Меллона (Carnegie Mellon University) из Департамента инженерной механики разработала полимер со свойствами теплового коммутатора. Предложенный материал способен сам переключать своё состояние (структуру) из проводящего тепло в состояние изоляции тепла. Что важно, процесс переключения из одного состояния в другое полностью обратимый и управляется только за счёт изменения температуры материала и окружающей среды.

Профессор Шен Чен из Университета Карнеги-Меллона и его ассистенты

Изобретение, как полагает руководитель группы исследователей профессор Шен Чен (Sheng Shen), способно привести к появлению новых твёрдотельных холодильных установок, систем сброса тепла и новых методов охлаждения электроники. Данные о работе опубликованы в журнале Science Advances в статье «High-Contrast and Reversible Polymer Thermal Regulator by Structural Phase Transition».

В ходе исследований был получен полимер с изначально высокоупорядоченной кристаллической структурой, которая, как известно, способствует эффективной передаче тепла. При нагревании материала до 340 К (66,85 °C) структура материала изменяется до гексагональной (шестиугольной). Такое строение уже препятствует тепловой проводимости, и материал становится изолятором для тепла. К этому приводит ослабление связей между молекулами полимера, что меняет структуру материала. Но это состояние обратимое. После охлаждения до заданной температуры структура материла вновь становится кристаллической и обретает свойства теплопроводности.

В природе существуют материалы, которые при нагреве могут менять теплопроводность в 4 раза. Предложенный полимер способен в 10 раз увеличивать и уменьшать свою теплопроводность, что делает его потенциально пригодным для создания нового типа холодильных или охлаждающих установок.

Переключение в обе стороны происходит быстро в коротком интервале температур в диапазоне 5 K Материал остаётся стабильным (не плавится) до 560 К или, говоря понятным большинству языком, до 286,85 °C. Ни один из существующих тепловых коммутаторов на основе актуальных материалов не выдерживает подобных температур.

Группа сотрудников Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетика США (DOE) под руководством ведущей проекта Елены Рожковой создала биоинспирированную (подсмотренную у природы) искусственную клетку, которая смогла преобразовать падающий на неё свет в запас химической энергии. Для этого учёные заменили некоторые естественные биологические механизмы в клетке на искусственные небиологического происхождения. Подобный подход, как считают разработчики, откроет новый путь к хранению энергии.

Искусственные протоклетки под электронным микроскопом (Argonne National Laboratory)

Искусственные клетки или протоклетки для преобразования света в химическую энергию представляет собой полые капсулы, внутри которых посредством спонтанной самосборки и сил слабого взаимодействия собираются гибридные наностержни из золота и серебра. Сначала происходит самосборка, а потом наночастицы обволакиваются мембраной из такого белка, как бактериородопсин. Этот белок интересен тем, что он работает как зависимая от света биологическая помпа, перекачивая протоны из клетки на её наружную поверхность.

В конечном итоге под воздействием света вне клетки начинает расти концентрация протонов, образуя так называемый электрохимический градиент. И в этом ключ к исследованию. Учёные ввели во взаимодействие с искусственными клетками вторую группу искусственных клеток, которые использовали скопления протонов как «топливо» для выработки молекулы АТФ (аденозинтрифосфата). Эксперимент показал хорошо фиксируемый рост концентраций АТФ при воздействии видимого света на колонию протоклеток.

Группа учёных во главе с руководителем проекта Еленой Рожковой (справа вверху)

Дальше дело техники. АТФ — это универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. Фактически это химическое топливо, которое можно запасать и расходовать по своему усмотрению. Из искусственных клеток было выброшено всё лишнее, кроме примитивного механизма для использования протонов в качестве обменных ионов. Иными словами клетке оставили одну-единственную функцию ― синтез богатых энергией молекул-носителей. Также существует вероятность, что вместо протонов в качестве среды обмена можно использовать ионы натрия или ионы кальция.

Наконец, металлические наночастицы вблизи белковой мембраны, поглощающей свет, служат своего рода линзами для фокусировки света на поверхности мембраны, что активизирует биологические реакции. В целом эксперимент признан успешным и будет продолжен.

На днях в Сан-Франциско стартовала очередная годовая конференция International Electron Devices Meeting 2019. Среди многих интересных тем, поднятых на IEDM 2019, выделяется тема опытного производства магниторезистивной памяти STT-MRAM на эффекте переноса спина электрона. Свои достижения в области разработки энергонезависимой памяти следующего поколения представили компании Samsung, GlobalFoundries, TSMC и компания Intel. По мере появления новой информации мы будем раскрывать подробности с выступлений представителей компаний. Пока же мы вкратце сообщим о новом достижении Intel ― компания представила массив STT-MRAM для кеш-памяти L4.

Год назад на IEDM 2018 компания Intel рассказала о выпуске 7-Мбит массивов STT-MRAM с использованием техпроцесса с нормами 22 нм (22FFL). Новый опытный чип содержит массив STT-MRAM объёмом 2 Мбайт. Это память для встраиваемого применения, которая обещает заменить как традиционную встраиваемую NAND-флеш, так и память SRAM, если речь идёт об использовании STT-MRAM в качестве кеш-памяти процессоров и ускорителей. Впрочем, пока речь не идёт о процессорах. В Intel предлагают использовать встраиваемую STT-MRAM как кеш-память для ускорителей для задач ИИ и машинного обучения.

Представленный 22-нм 2-Мбайт блок STT-MRAM позволяет считывать данные со скоростью 4 нс и записывать их со скоростью 20 нс. Устойчивость ячеек к износу достигает 10¹². Время удержания данных всего 1 секунда при температуре 110 градусов по Цельсию. Для долговременной памяти это не подходит, но для кеш-памяти окажется достаточным. Экономия по потреблению всё равно будет значительная.

Пример строения ячейки STT-MRAM

Особенность производства памяти STT-MRAM компании Intel заключается в том, что для её выпуска достаточно не больше трёх фотошаблонов. Ячейки памяти на основе магнитных туннельных переходов изготавливаются в слое контактов и не занимают место на кристалле. На кристалле располагаются только управляющие ячейками транзисторы ― по одному транзистору на ячейку. Такие массивы хорошо масштабируются и намного плотнее, чем классическая память SRAM из 6 транзисторов на каждую ячейку.

Некоторое время назад в журнале Cellulose было опубликовано исследование финских учёных, которые рассказали о создании оптического волокна из целлюлозы. Идея создать светопроводящие волоконные структуры впервые оформилась в 1910 году. Много десятилетий спустя оптоволоконные кабели стали повседневной реальностью и незаменимым средством энергоэффективной передачи информации на десятки тысяч километров.

Сечение оптоволокна из целлюлозы под сканирующим электронным микроскопом (Cellulose)

Созданное финскими учёными оптоволокно из целлюлозы не годится для целей телекоммуникации. Слишком велико в нём затухание света ― до 6,3 дБ на сантиметр на открытом воздухе для длины волны 1300 нм. В воде затухание увеличивалось до 30 дБ на сантиметр. Но именно это свойство оказалось самым востребованным. Подобные оптоволокна из целлюлозы, благодаря своему врождённому свойству намокать, окажутся ценным и удобным решением для измерения влажности.

Мир умных датчиков и вещей с подключением к Интернету может получить гибкие, протяжённые и простые, а также энергоэффективные датчики для измерения влажности. Такие решения можно встраивать в фундаменты зданий и сооружений для контроля влажности в монолитных структурах, например, для контроля над уровнем паводковых и грунтовых вод. Носимая электроника может пополниться датчиками влажности тела и одежды, что пригодится в быту для слежения за состоянием маленьких детей и для любителей активного отдыха.

Разница в интенсивности распространения света в оптоволокне из целлюлозы в зависимости от длины волны (Cellulose)

Оптические волокна из пластических материалов уже освоили нишу датчиков для сбора сейсмических данных, включая даже слежение за городским трафиком и особенно громкими шумами на улицах городов (выстрелами, звуками аварий и тому подобными). С появлением оптических волокон из целлюлозы сфера использования гибких, термически устойчивых и прочных оптических кабелей расширится до мониторинга влажности, на что пластиковые оптоволокна не способны в принципе.

Японская компания Fujitsu Limited и её подразделение Fujitsu Laboratories разработали технологию, которая позволит эффективно отводить тепло от мощнейших высокочастотных транзисторов на переходах из нитрида галлия (GaN). Речь идёт о так называемых HEMT-транзисторах или, по-русски, о транзисторах с высокой подвижностью электронов (ВПЭ). Такие транзисторы используются в трактах высокочастотных усилителей в погодных радарах и в базовых станциях сотовой связи. Повышение эффективности отвода тепла от HEMT GaN обещает уменьшить размеры систем охлаждения и, соответственно, позволит выпускать компактные радары и станции.

Для эффективного отвода тепла от подложки нужны алмазные кристаллы больших размеров (Fujitsu)

Повысить рассеивание тепла от транзисторов помогает выращенная на их поверхности алмазная плёнка. Но выращенная не просто так, а с использованием особой технологии. Дело в том, что размеры кристаллов алмаза в составе плёнки зависят от температуры техпроцесса. В обычных условиях кристаллы вырастают до нескольких микрометров, что делает их отличным решением для отвода тепла от подложки. Но до таких размеров кристаллы растут только при высокой температуре от 950 °C. Однако нагрев до такой температуры разрушает GaN-подложку (транзисторы). Транзисторы могут выдержат нагрев только до 650 °C.

Слева изображение «голого» транзистора, а справа транзистор покрыт нанокристаллами алмаза (Fujitsu)

В свою очередь, при нагреве до 650 °C кристаллы в алмазной плёнке растут только до нескольких сотен нанометров в размере. Множество мелких кристаллов в плёнке не могут создать сквозной канал для отвода тепла от подложки. На это способны только кристаллы относительно больших размеров: в 1000 раз больше. Но исследователи в Fujitsu выяснили, что заставить нанокристаллы алмаза расти до нужных размеров можно даже при низкой температуре.

В результате экспериментов выяснилось, что рост кристаллов в алмазной плёнке до нужных размеров в несколько микрометров при температуре около 650 °C происходит тогда, когда в самом начале роста на подложке (транзисторе) формируются кристаллы в строго заданном направлении. Выяснилось, что эффективность отвода тепла с алмазной плёнкой поверх перехода достигает 40 %. Это позволяет снизить рабочую температуру GaN HEM-транзисторов на 100 °C без использования систем охлаждения и, следовательно, даёт возможность уменьшить габариты систем охлаждения.

Коммерческий выпуск транзисторов GaN HEM с использованием новой технологии выращивания алмазной плёнки компания начнёт в 2022 году. На следующем этапе исследователи планируют вырастить алмазную плёнку с обеих сторон транзистора, что даст уже 77 % эффективности в отводе тепла от кристалла.

Китайский интернет-ресурс ChinaTimes сообщил, что компания TSMC не только бурно развивает производство 7-нм чипов, которое обещает побить все производственные рекорды в традиционно вялый зимний сезон, но также демонстрирует прогресс в опытном производстве 5-нм полупроводников. На сегодняшний день уровень брака при рисковом 5-нм производстве составляет 50 %, что ниже, если сравнивать с периодом, когда TSMC осваивала выпуск 7-нм чипов. Компания ускоряется, что не может не радовать.

Среди первых трёх главных клиентов на 5-нм чипы источник называет Apple, HiSilicon и AMD. От компании Apple ждут 5-нм SoC A14. От HiSilicon ожидают Kirin 1000, а от AMD ― процессоров на ядрах Zen 4. Впрочем, компания AMD среди всех перечисленных порадует нас 5-нм новинками позже всех ― в пределах 2021 года. Первая коммерческая продукция с использованием 5-нм техпроцесса начнёт выходить в первом квартале нового 2020 года. Но по-настоящему полномасштабный выпуск 5-нм чипов ожидается к июлю следующего года, когда уровень брака будет сведён к приемлемому уровню от 3 % до 8 %. Компании Apple и HiSilicon, по утверждению источника, уже располагают цифровыми проектами будущих решений (A14 и Kirin 1000), что позволит начать их производство до конца второго квартала 2020 года.

В компании TSMC ожидают небывалый спрос на 5-нм чипы. Он уже превышает возможности запланированного производства. Проектная мощность линий по выпуску 5-нм решений составляет 50 тыс. 300-мм пластин в месяц. Новые планы и расширенные инвестиции позволяют нацеливаться на выпуск до 70 тыс. 5-нм пластин в месяц и, возможно, до 80 тыс. в будущем.

Рисковое производство ядер ARM Cortex-A72 позволило на практике подтвердить ожидаемый выигрыш от перехода на 5-нм техпроцесс. Так, плотность размещения транзисторов выросла в 1,8 раза, а тактовые частоты удалось поднять на 15 %. Если не наращивать частоты, то потребление чипов можно снизить до 30 %. Всё это потребовало дополнительных капитальных затрат в районе $4 млрд сверх уже запланированных $15 млрд, из которых $2,5 млрд предназначено для внедрения 5-нм техпроцесса, а $1,5 млрд необходимы для расширения 7-нм линий.

Военно-морской исследовательский центр ВМС США в Панама-Сити (штат Флорида) начал разрабатывать новое вооружение для остановки судов в открытом море. Заманчиво заблокировать систему движения вражеского корабля или подозрительного судна на определённое время, чтобы предоставить себе время и пространство для манёвра.

Фотография эксперимента (NAVSEA)

Современные средства остановки судов представляют собой те или иные вариации так называемого морского якоря ― линя-растяжки с буйком и подводным конусом-парашютом. Но такой метод сложен и работает против ограниченного списка плавсредств. Военным необходимо более комплексное и, что важно, обратимое решение. Чтобы остановленному в море судну можно было довольно быстро вернуть ход без каких-либо особенных усилий и ремонта. Такое средство предложено сделать из синтезированного органического вещества на основе слизи морских животных класса миксины и синтетического белка, аналогичного по свойствам обычной паутине.

В разработке новой технологии торможения судов военным США помогают Мичиганский университет, Государственный университет штата Юта и университет Чепмена. Программа разработки называется MVSOT (Maritime Vessel Stopping Occlusion Technologies) или технология остановки морских судов.

Синтезированное исследователями вещество состоит из слизи, армированной белковыми волокнами. В соединении с морской водой слизь многократно разбухает, а волокна придают образованию необходимую жёсткость. После соприкосновения с морской водой природное вещество в жизнедеятельности миксиновых разбухает в 10 000 раз, служа защитным механизмом для этих морских обитателей. В случае использование этого средства для остановки судов оно наматывается на гребной винт, разбухает и всякая тяга прекращается до того, пока винт не очистят. Кстати, военные подчёркивают дружественность технологии к окружающей среде. Ни одна рыбка в море не пострадает.

Схема работы технологии (NAVSEA)

Эксперименты показали высокую эффективность предложенного решения и его обратимость. Вопрос только в том, как его будут доставлять в зону винта кораблей? В акватории порта это можно решить с помощью поднятия защитных ограждений. Винт судна-нарушителя порвёт ограждение и в его повреждённые структуры попадёт вода, что вызовет набухание и возникновение комка слизи на гребном винте. А как быть в открытом море, да ещё на виду противника?

Технология QLED (или QD-LED), которая обещала составить достойную конкуренцию OLED, оказалась не такой востребованной и популярной, как того хотела бы компания Samsung, которая её разработала и довела до серийного производства в телевизионной технике. Ей на смену компания готовила несколько иную реализацию дисплеев с использованием квантовых точек, а именно технологию QD-OLED.

В дисплеях QD-OLED источником подсветки служит синий светодиод из органических материалов, который используется как по назначению в виде синего источника света, так и для возбуждения зелёного и красного спектров в материале квантовых точек. А дисплеи QLED ― это бутерброд из светодиодной LED-подсветки, цветного фильтра с квантовыми точками и LCD-панели. Утрируя ― прошлый век. Весной этого года Samsung планировала начать строить новые линии для выпуска панелей QD-OLED, но процесс, как сообщают, начал тормозить. Свежей новостью разъясняется, что в Samsung нашли способ улучшить экраны QLED как в плане эффективности излучения, так и с точки зрения продолжительности работы до умопомрачающих величин ― до миллиона часов (более 100 лет).

Исследование под руководством двух ведущих специалистов Samsung Ын-чу Чан (Eunjoo Jang) и Ю-Хо Вон (Yu-Ho Won) показали, что квантовую эффективность QLED можно увеличить на 21,4 %, а увеличение надёжности светоизлучающих элементов позволяет рассчитывать на работу источников в течение миллиона часов. Это обещает вдохнуть в технологию QLED вторую жизнь и привести к появлению коммерческих устройств на базе обновлённой технологии производства.

Разработка защищена более чем 170 патентами. В основе светодиодов лежит фосфид индия. Это вещество призвано стать аналогом кадмия в светодиодах. Экраны QLED не используют кадмий, поскольку он вреден для человеческого организма. Однако заменить его чем-то похожим по свойствам до сих пор не могли. Как выяснилось, заменой кадмию может стать фосфид индия. Предложенная структура снижает окисление светоизлучающего ядра, создавая вокруг него толстую и симметричную оболочку. А сама структура оболочки позволяет быстрее проводить электрический ток, что повышает эффективность источника света.

Создание и разработка устройств для энергонезависимого хранения цифровых данных ведётся на протяжении многих десятилетий. Настоящий прорыв чуть меньше 20 лет назад совершила память типа NAND, хотя её разработка стартовала ещё лет на 20 раньше. Сегодня, спустя примерно полвека после начала широкомасштабных исследований, начала производства и постоянных усилий по совершенствованию NAND, этот тип памяти близок к исчерпанию своих возможностей для развития. Необходимо закладывать основу для перехода на иную ячейку памяти с лучшими энергетическими, скоростными и другими характеристиками. В длительной перспективе такой памятью может стать сегнетоэлектрическая память нового типа.

Поперечное сечение изготовленной структуры (МФТИ)

Сегнетоэлектрики (в зарубежной литературе используется термин ферроэлектрики) ― это диэлектрики, которые обладают памятью о приложенном электрическом поле или, иначе говоря, характеризуются остаточной поляризацией зарядов. Память на сегнетоэлектриках не является чем-то новым. Проблемой было уменьшить масштаб сегнетоэлектрических ячеек до наноразмерного уровня.

Три года назад учёные в МФТИ представили технологию изготовления тонкоплёночного материала для сегнетоэлектрической памяти на основе оксида гафния (HfO₂). Это тоже не уникальный материал. Этот диэлектрик несколько пятилеток подряд использовался для изготовления транзисторов с металлическими затворами в процессорах и другой цифровой логике. На основе предложенных в МФТИ сплавных поликристаллических плёнок оксидов гафния и циркония толщиной 2,5 нм удалось создать переходы с сегнетоэлектрическими свойствами.

Чтобы сегнетоэлектрические конденсаторы (так их стали называть в МФТИ) можно было использовать в качестве ячеек памяти, необходимо добиться максимально возможной поляризации, для чего необходимо детальное изучение физических процессов в нанослое. В частности, получить представление о распределении электрического потенциала внутри слоя при подаче напряжения. До недавнего времени учёные могли опираться лишь на математический аппарат для описания явления, и только сейчас реализована методика, с помощью которой буквально удалось заглянуть внутрь материала в процессе явления.

Команда ученых, проводивших эксперимент, возле установки высокоэнергетической рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на синхротроне PETRA III, Гамбург. Слева направо: Андрей Глосковский, Юрий Матвеев, Дмитрий Негров, Виталий Михеев и Андрей Зенкевич. Предоставлено Андреем Зенкевичем (МФТИ)

Предложенная методика, которая опирается на высокоэнергетическую рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, могла быть реализована только на специальной установке (ускорителях-синхротронах). Такая находится в Гамбурге (ФРГ). Все эксперименты с изготовленными в МФТИ «сегнетоэлектрическими конденсаторами» на основе оксида гафния прошли в Германии. Статья о проведенной работе опубликована в Nanoscale.

«Созданные в нашей лаборатории сегнетоэлектрические конденсаторы, если их применить для промышленного изготовления ячеек энергонезависимой памяти, способны обеспечить 10¹⁰ циклов перезаписи — в сто тысяч раз больше, чем допускают современные компьютерные флешки», — утверждает  Андрей Зенкевич, один из авторов работы, заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ. Тем самым к новой памяти сделан ещё один шаг, хотя этих шагов предстоит сделать ещё очень и очень много.