Открытие графена побудило ученых к экспериментам с другими «двумерными» материалами, которые способны создавать структуры толщиной в один или всего несколько атомов. Обычно такие эксперименты не заканчиваются созданием работающих устройств, но есть и исключения — недавно учёные создали работающий датчик изображения на основе «двумерного» полупроводника.

Каждый квадрат представляет собой одноатомную пленку дисульфата молибдена. Источник изображения: arstechnica.com

После открытия графена и его свойств, учёные открыли немало других материалов, также способных образовывать тонкие атомарные плёнки. Некоторые из этих материалов, как и графен, состоят из одного химического элемента, другие образуются из различных химических веществ, способных выстраивать свою структуру в виде слоя толщиной в один или несколько атомов. Большинство из этих новых материалов обладают уникальными свойствами. В то время как графен — отличный проводник электричества, ряд других материалов являются полупроводниками. Кроме того, их свойства можно изменять в зависимости от того, как расположены слои атомов в структуре.

Обычно учёные исследуют возможности этих новых материалов в экспериментальных устройствах и прототипах, которые часто демонстрируют рекордные показатели по быстродействию или миниатюрности, но при этом не являются полноценно работающими устройствами. Но на днях одна группа исследователей решила выйти за рамки простых демонстраций и создала 900-пиксельный датчик изображения с использованием атомарно тонкого материала.

Большинство датчиков изображения (матриц) в современных фото- и видеоустройствах состоят из стандартных кремниевых полупроводников, изготовленных по КМОП-технологии. Но что произойдёт, если заменить кремний другим полупроводником? В данном случае исследователи использовали дисульфид молибдена, атомарно тонкий материал, который получил широкое применение в экспериментальных устройствах.

Создание новой матрицы начали с выращивания атомарной плёнки дисульфида молибдена на сапфировой подложке методом осаждения из паровой фазы. Затем её сняли с сапфира и перенесли на предварительно подготовленную поверхность из диоксида кремния, на которой уже была вытравлена проводка. Сверху нанесли ещё одну проводку. Конечным результатом этого процесса стала сетка из 30 на 30 пикселов, где каждый пиксел представляет собой микроустройство, состоящее из источника и стокового электрода, соединённых слоем атомов дисульфида молибдена. Освещение, падающее на сетку, создаёт заряд на каждом из пикселов, что влияет на способность передавать ток между электродами источника и стока. Разница в сопротивлении между пикселами позволяет определить, степень освещённости и получить таким образом информацию об изображении.

Новый тип матрицы использует очень мало энергии для работы. По оценкам исследователей, на один пиксель расходуется менее одного пикоДжоуля. Также очень прост процесс очистки матрицы от зарядов путём подачи сильного напряжения между электродами источника и стока. Ещё одним важным преимуществом является высокая светочувствительность и низкий уровень шума.

Недостатки тоже есть. Слабым местом нового устройства является скорость работы. Хотя начальная реакция матрицы на свет может быть зарегистрирована всего за 100 наносекунд, полная, высококонтрастная экспозиция требует секунды на каждый цвет. Так, экспозиция синего цвета занимает более двух секунд, а красного — почти 10 секунд для полной экспозиции. Поэтому не стоит надеяться, что с помощью новой матрицы уже сейчас можно снимать видео на мобильный телефон. С другой стороны, это совсем не означает, что новое устройство бесполезно. Существует множество задач и сфер применения, где светочувствительность и энергопотребление имеют более приоритетное значение перед скоростью работы — например, всевозможные датчики и сенсоры. Разработчики этого устройства видят хорошие перспективы его применения в сфере IoT.

По мнению редакции авторитетного издания Physical Review Letters, самым ярким исследованием года стала разработка так называемого «информационного» двигателя, топливом для которого буквально стала информация. Прототип двигателя совершал работу исключительно благодаря расчётам, не затрачивая на неё какой-либо энергии. К сожалению, это открытие работает только в микромире.

Источник изображения: Pixabay

Все мы знаем о таком явлении как тепловой шум. В обычном состоянии тепловые колебания носят случайный характер и не могут совершать полезную работу. Исправить ситуацию можно с помощью обратной связи — информации, которая могла бы отсекать «тормозящие» колебания и фиксировать «рабочие». Тогда раз за разом двигатель совершал бы только полезную работу, не расходуя на неё энергию в виде топлива. Роль топлива в такой системе играла бы информация — это система определения совершённой работы и обратная связь, управляющая двигателем.

Группа физиков из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби (Британская Колумбия) и Института фундаментальных вопросов (FQXi) провела эксперимент, в котором стеклянная бусинка размером с бактерию двигалась в заданном направлении с помощью теплового шума и информации о её положении. Бусинку поместили в воду и поймали в лазерную ловушку. Тепловые колебания молекул воды толкали бусинку во всех возможных направлениях, но благодаря измерениям её положения в воде и обратной связи оптическая ловушка перемещалась в пространстве только тогда (и удерживала бусинку на новом уровне), когда движение шло в нужном направлении.

Учёные отмечают, что точность определения положения бусинки в пространстве оставляла желать лучшего и, тем самым, совершаемая «информационным» двигателем работа была мала. Повысить КПД двигателя удалось после включения в алгоритм так называемой «байесовской оценки решения» — статистического метода, который во многом прогнозировал новое положение бусинки, чем измерял его.

Фактически «топливом» такого двигателя выступала только информация о примерном положении бусинки, полученная с помощью измерения, алгоритм расчёта, который уменьшал погрешность измерений и механизм обратной связи, который фиксировал бусинку (проделанную работу) на новом уровне. Процесс совершения работы выполнялся тепловым шумом. Можно сказать, бесплатно. Теперь учёные думают над экспериментами, как произвести подобную работу из других источников шума. Если всё получится, можно будет извлекать энергию из источников, о которых мир пока не мечтал.

Традиционно полупроводниковая литография создаёт чипы сверху вниз по мере протравливания подложки всё глубже и глубже. Это удобно, но сильно ограничивает детализацию на самом глубоком уровне. Группа учёных из Массачусетского технологического института (MIT) предложила строить чипы наоборот — начиная от мельчайшего нанокирпичика на чистой подложке до готовых к работе сложных наноструктур, что должно улучшить характеристики электроники.

Источник изображения: MIT

В определённой степени предложенный техпроцесс представляет собой штамповку в виде переноса рабочего материала по шаблону на кремниевую подложку. Такие методы уже используются, но имеют один серьёзный недостаток: кремний и чип загрязняются либо деформируются, что ведёт к повышению уровня заводского брака, поскольку в процессе переноса для закрепления «строительного» материала на подложке используется клей, отжиг или высокое давление.

Исследователи из MIT пошли по иному пути. Они смогли расчётливо распорядиться атомными и молекулярными силами, которые закрепили наночастицы на поверхности кремниевой подложки лучше всякого клея. Строго говоря, учёные задействовали два типа явлений — капиллярное движение жидкостей и силы Ван-дер-Ваальса.

Наночастицы строительного материала в виде кубиков со сторонами 50 нм в капле жидкости наносились на шаблон, после чего происходил процесс равномерного распределения нанокирпичиков по шаблону. Этому способствовали капиллярные явления. Затем рисунок каждого слоя (шаблон) переносился на произвольную подложку, например, кремниевую. Жидкость также способствовала переносу рисунка из наночастиц на подложку. Когда она высыхала, наночастицы продолжали удерживаться на подложке, но уже за счёт другого явления — за счёт силы Ван-дер-Ваальса. Эти силы оказываются достаточно надёжным «цементом» (действуя на границе раздела подложки и наночастицы), чтобы рисунок намертво прилипал к подложке с точностью до каждой наночастицы.

«Эти силы повсеместно распространены и часто могут быть губительными при изготовлении наноразмерных объектов, поскольку они могут привести к разрушению структур. Но мы можем придумать способы очень точного управления этими силами, чтобы использовать их для управления манипуляциями на наноуровне», — заявил один из авторов исследования.

При таком переносе наночастиц уровень брака снижается до менее 5 %, сообщают учёные. Поверхность подложки остаётся нетронутой: никакие растворители и клеи не используются, что повышает чистоту производства. В перспективе предложенное решение поможет создавать электронные компоненты нанометровых размеров с высочайшей степенью детализации и точности, что наверняка улучшит работу полупроводниковых приборов.

Группа американских физиков и химиков провела удивительный эксперимент, в ходе которого показала возможность управлять направлением вращения одной единственной молекулы. Эта работа открывает новое окно для исследований в области манипулирования материалами в атомном масштабе, важными для будущего от квантовых вычислений до бытовой электроники.

Источник изображений: Saw Wai Hla/Ohio University

«Редкоземельные элементы жизненно важны для высокотехнологичных приложений, включая сотовые телефоны, телевизоры высокой четкости и многое другое. Это первый случай образования редкоземельных комплексов с положительным и отрицательным зарядом на поверхности металла, а также первая демонстрация контроля над их вращением на атомном уровне», — объяснил руководитель группы Со-Вай Хла (Saw-Wai Hla), учёный в Аргонне и профессор физики и астрономии в Колледже искусств и наук Университета Огайо.

Работа проведена с использованием двух отдельных низкотемпературных систем сканирующей туннельной микроскопии (СТМ): одной в стенах Аргоннской национальной лаборатории, а второй — в Университете Огайо. В исследовании принимали участие учёные из Университета Огайо, Аргоннской национальной лаборатории и Иллинойского университета в Чикаго. Исследователи первыми создали комплекс из заряженной редкоземельной молекулы на поверхности металла и повернули её по желанию по часовой стрелке и против часовой стрелки без изменения заряда с помощью сканирующей туннельной микроскопии.

В реальности это выглядело, как покрутить колёсико из одной молекулы на плоской поверхности с помощью электронного управления. «Колёсико» проворачивалось под воздействием электромагнитного поля, которое генерировал зонд сканирующего туннельного микроскопа. Можно вообразить себе, как в будущем появятся шагающие или колесящие нанороботы атомарного масштаба или произойдёт прорыв в вычислительных или запоминающих устройствах, ведь «там внизу полно места», как говорил на своих лекциях знаменитый американский физик Ричард Фейнман.

Данные берутся из публикации Нанометры в микроэлектронике: физика, маркетинг и здравый смысл

Сегодня мы не удивляемся компактным лазерным принтерам, хотя на заре зарождения технологии и долгие годы после появления на рынке лазерные принтеры удивляли размерами и весом. Похожая ситуация с лазерной 3D-печатью. Это высокоточные устройства аддитивного моделирования, но размеры устройств остаются сравнительно большими — с объёмный чемодан или около того. Новые немецкие технологии помогут уменьшить такие принтеры до размеров обувной коробки.

Слева изображение напечатанной 3D-структуры под электронным микроскопом, справа — под оптическим. Источник изображения: Professor Rasmus Schröder, University of Heidelberg, Vincent Hahn, KIT

Современная лазерная печать в составе 3D-принтера представляет собой сложную оптическую систему, которая в импульсном режиме с фемтосекундной длительностью вызывает химические процессы полимеризации материала в точке фокуса. Большие габариты и запредельная дороговизна таких принтеров не позволяют им стать продуктом для повсеместного использования. Можно ли это изменить? Вполне, заявили исследователи из немецкого профильного кластера 3D Matter Made to Order.

Учёные в журнале Nature Photonics опубликовали статью, в которой рассказали об инновационной конструкции головки лазерного принтера для 3D-печати с наноразмерной точностью. В обычном лазерном 3D-принтере полимеризация светочувствительной жидкости происходит тогда, когда два фотона одновременно возбуждают молекулу жидкости — это так называемое двухфотонное поглощение. Чтобы реакция двухфотонного (одновременного) поглощения произошла, лазерная система должна быть сложной, согласованной и поэтому громоздкой.

Немецкие учёные предложили разделить возбуждение молекул светочувствительной жидкости на два этапа и совершать их по очереди, что позволит радикально уменьшить лазерную головку и конструкцию 3D-принтера. В частности, исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) и Гейдельбергского университета предложили двухступенчатую абсорбцию, которая работает с недорогими и маленькими синими лазерными диодами.

Первый фотон переводит молекулу в промежуточное состояние. На втором этапе второй фотон переводит молекулу из промежуточного состояния в нужное возбуждённое состояние и запускает химическую реакцию. Поглощение двух фотонов не обязательно должно происходить одновременно, что стало ключом к прорыву.

«Для этого процесса можно использовать компактные и маломощные лазерные диоды непрерывного действия, — сказал Винсент Ханн, первый автор исследования из Института прикладной физики KIT (APH). — Требуемая мощность лазера намного ниже мощности обычных лазерных указок».

Впрочем, не всё так просто. Прорыв был бы невозможен без разработки нового состава фоточувствительной жидкости. Новый состав жидкости разрабатывался несколько лет совместно с химиками, пока нужный результат не был получен.

«На мой взгляд, в ближайшие годы реально создать устройство размером с коробку из-под обуви. Это будет даже меньше, чем лазерный принтер на моем рабочем столе в KIT, — заявил другой автор работы профессор Мартин Вегенер. — Таким образом, лазерные 3D-нанопринтеры могут стать доступными для многих групп населения. Эксперты уже говорят о демократизации технологии лазерной 3D-печати».

Группа физиков из Колорадского университета в Боулдере разгадала тайну необычного распространения тепловых потоков внутри материалов на наноструктурах. Потоки тепла меняли направление в материалах в зависимости от плотности расположения наноструктур. Проявлялся эффект формирования теплового канала, что не могла объяснить общепринятая теория. Разгадать загадку помогла компьютерная модель, что может открыть путь к эффективному охлаждению электроники.

Два наностержня нагревают лазером. Источник изображения: Steven Burrows/JILA

В экспериментах с нагревом металлических наностержней диаметром во много раз меньше диаметра человеческого волоса выяснилось, что поведение тепловых потоков полностью соответствует классической термодинамике лишь до того момента, пока наностержни на кремниевой подложке находятся относительно далеко друг от друга. Если наностержни сблизить — расположить плотнее, то с определённого момента тепловой поток неожиданно ускоряется и наноструктуры охлаждаются заметно быстрее. Это явление может помочь в ускорении теплообмена при охлаждении электроники, а детальное моделирование позволило понять, что на самом деле происходит.

На основе наблюдений физики создали сверхподробную компьютерную модель из миллионов атомов. Расчёты термодинамических процессов на модели показали, что по мере сближения наностержней, которые нагревались, электромагнитное взаимодействие между ними — перенос тепла — демонстрировали волновые явления. В частности, потоки энергии сталкивались и отражались с последующим рассеянием. При этом были выявлены моменты, когда начинался направленный перенос тепла по чётко выраженным направлениям (вниз и в стороны). Чётко понимая зависимость формирования теплового канала от геометрии наноструктур, можно ещё на этапе проектирования заложить лучшую теплоотдачу электронных цепей.

Несмотря на стремительную миниатюризацию полупроводников, далеко не всю электронику можно создать в виде одного чипа. На монтажной плате всё ещё присутствует масса компонентов, например, отвечающих за цепи питания. Чтобы выпустить миниатюрное устройство разработчики также создают дискретные компоненты всё меньших размеров. Особенно в этом преуспела компания Samsung Electro-Mechanics, которая представила MLCC-конденсатор с уникальными свойствами.

Источник изображения: Samsung Electro-Mechanics

Конденсаторы MLCC или, по-русски, многослойные керамические конденсаторы играют важную роль в схемах стабилизации токов в цепях питания. Они используются в обвязке чипов и занимают на плате и в устройстве определённый объём пространства. Поэтому размеры конденсаторов по отношению к их рабочим характеристикам играют важную роль. Тем более что в составе смартфона может быть до 1000 таких компонентов.

Источник изображения: Samsung Electro-Mechanics

До сих пор в типоразмере элемента 0402 (длина 0,4 мм, ширина 0,2 мм) ёмкостью 1 мкФ максимальное рабочее напряжение составляло 4 В. Для использования в цепях питания смартфонов и в другой электронике этого недостаточно, чтобы обеспечить надёжную и долговременную работу устройств. Производители были вынуждены использовать более объёмные компоненты большего типоразмера.

Сегодня в Samsung Electro-Mechanics сообщили, что они смогли создать технологию и оборудование для выпуска многослойных керамических конденсаторов типоразмера 0402 ёмкостью 1 мкФ и рабочим напряжением 6,3 В. Эти элементы будут прекрасно работать в цепях стабилизации тока и не только. Миниатюризация сделала ещё один шаг вперёд.

Источник изображения: Samsung Electro-Mechanics

Отметим, чтобы создать и наладить производство таких конденсаторов в Samsung разработали технологию создания сверхтончайших диэлектрических плёнок, что можно считать отличным примером применения нанотехнологий на практике.

Австралийцы продолжают эксперименты с углеродным материалом на основе человеческих волос. Волосы богаты азотом и углеродом. После их сжигания остаются каркасные структуры с интересными свойствами, которые находят применение в электронике. Год назад на основе волос в Австралии создали OLED-панели, а сегодня с помощью волос учёные предлагают улучшить работу солнечных ячеек.

Источник изображения: Queensland University of Technology

Полезной утилизацией волос из местных парикмахерских занимаются исследователи из Квинслендского технологического университета. Волосы сжигаются при температуре около 240 °C. Такая термическая обработка превращает их в источник углерода и азота. Из углерода формируются углеродные наноточки размерами менее 10 нм, которые при определённой технологии равномерно распределяются по подложке.

Использованием подобной технологии для изготовления солнечных панелей заинтересовались коллеги исследователей, открывших светоизлучающий эффект наноостровков из сожжённых волос. В частности, было решено проверить воздействие углеродных наноструктур на солнечные ячейки из перовскита.

Перовскит обещает намного лучший КПД солнечных панелей, но этот материал восприимчив к среде — температуре и влажности, что затрудняет его коммерциализацию. Опыты с наноточками из сожжённых волос показали, что на поверхности перовскитных фотоэлементов они выполняют защитную функцию и ещё сильнее повышают эффективность панелей. Двойной выигрыш!

Статья об исследовании опубликована в журнале Journal of Materials Chemistry A. По мнению учёных, сделанное открытие может приблизить появление надёжных и устойчивых к работе на открытом воздухе перовскитных солнечных панелей.

Исследователи из Германии с помощью нанотехнологий создали удивительную бумагу. При всех внешних признаках обычного бумажного листа «нанобумага» простым щелчком электрического тумблера из жёсткой становится мягкой, как тряпочка и восстанавливает жёсткость поле отключения питания. Сверх того, жёсткостью можно управлять, меняя уровень напряжения. Подобное свойство, например, может помочь в создании материалов, автоматически гасящих удары.

Нанобумага похожа на лист простой бумаги. Источник изображения: VadimVasenin/Depositphotos

В качестве отправной точки для исследований учёные из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце и Университета Фрайбурга взяли такое вещество из стенок клеток древесины, как нанофибриллы целлюлозы. Его, к примеру, можно получать из отходов древесины. Частички этого материала намного меньше обычных волокон целлюлозы, потому из них можно изготавливать даже прозрачную, и намного более прочную «бумагу».

В ходе экспериментов выяснилось, что при подаче на такую «нанобумагу» электрического тока она нагревается и происходит разрушение связей волокон нанофибрилл целлюлозы друг с другом. Это ведёт к тому, что материал полностью или частично теряет жёсткость — обмякает. Снятие напряжения восстанавливает связи в местах пересечения нановолокон и возвращает материалу первоначальную жёсткость.

Иллюстрация из статьи в издании Nature. Источник изображения: Nature

Интересно, что учёные на этом не остановились и собираются улучшить материал до таких свойств, чтобы он мог самостоятельно накапливать заряд и использовать его при необходимости. Подобное свойство поможет задавать материалу определённый порог срабатывания для поглощения энергии нагрузки. Вместо разного рода автоматики, что можно сделать уже сегодня, материал с запасом энергии на борту может более простыми средствами и очень избирательно гасить удары и повышенную нагрузку, например, при аварии автомобилей.

Кремниевая фотоника давно на слуху и широко используется в оптических линиях связи. Но как шагнуть дальше — преодолеть дифракционный предел и создать ещё меньшие по размерам оптические элементы? Оказалось, что в этом могут помочь известные ещё скандинавским викингам природные материалы, преломляющие свет из-за своей слоистой структуры и гигантской анизотропии. Эти свойства очень кстати для работающей на фотонах электроники.

Исландский шпат. Источник изображения: Каталог минералов

Открыть для посткремниевой фотоники мир давно и хорошо известных анизотропных материалов смогли сотрудники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с зарубежными коллегами из Испании, Великобритании, Швеции и Сингапура, включая первооткрывателя двумерных материалов и нобелевского лауреата Константина Новосёлова. Они впервые измерили гигантскую оптическую анизотропию в слоистых кристаллах дисульфида молибдена и подтвердили опыты теоретическими выкладками.

До последнего времени рекордным значением двулучепреломления (0,8) обладали слоистые кристаллы перовскита BaTiS₃ и гексагональный нитрид бора h-BN. Однако для создания более компактной оптики необходимы были материалы с оптической анизотропией, превышающей 1, что позволило бы преодолеть дифракционный предел. Очень перспективными в этом отношении представлялись дихалькогениды переходных металлов и, в частности, дисульфид молибдена.

Перед учёными встала задача измерить количественно оптическую анизотропию дисульфида молибдена и подтвердить её теоретическими расчётами. В ходе серии сложных экспериментов удалось однозначно определить двулучепреломление материала, которое в ближнем инфракрасном диапазоне составило 1,5, а в видимом достигает 3. Эти величины в несколько раз превышают значения предыдущих рекордсменов и позволяют сказать, что эру посткремниевой фотоники можно смело открывать.

Схема строения дисульфида молибдена. Источник изображения: Nature Communications

Как сказал профессор Валентин Волков, который в сентябре 2019 года переехал из Университета Южной Дании в МФТИ, где возглавил Центр фотоники и двумерных материалов: «Неожиданно для нас оказалось, что природные анизотропные материалы позволяют создавать компактные волноводы буквально на грани дифракционного предела. Это дает нам возможность конкурировать с кремниевой фотоникой, и теперь мы смело можем не только говорить о посткремниевой фотонике, но и реализовывать ее на практике».

Добавим, статью в Nature Communications по исследованию можно увидеть по этой ссылке, а чуть больше подробностей на русском языке можно прочесть на сайте МФТИ.

Благодаря гранту Министерства энергетики США группа учёных из Техасского университета в Далласе разработала метод более точного создания кремниевых кубитов, что в перспективе может привести к массовому производству квантовых процессоров на основе полупроводникового производства. Исследование находится на ранней стадии изучения, но рассматривается как перспективное.

Слева показана пластина со слоем атомов водорода, а справа — с извлечёнными из слоя атомами водорода. Источник изображения: University of Texas at Dallas

Производство чипов с использованием кремниевых пластин настолько хорошо изучено и отлажено, что создание квантовых процессоров на кремниевых кубитах представляется хорошо продуманным решением для первого шага в направлении квантовых компьютеров. В частности, кремниевыми кубитами в числе прочих исследований занимается компания Intel.

Учёные из Техасского университета в Далласе взяли за основу один из вариантов создания кремниевых кубитов на основе кремниевых пластин с атомарно тонким слоем осаждённого водорода — это так называемая пассивация, когда одним веществом (в данном случае — водородом) покрывают всю поверхность пластины. На такой пластине кубиты можно сформировать с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Атом водорода выхватывается и затем с помощью осаждения из газовой среды на его место осаждается фосфин — в соединении с кремнием в этом месте формируется кубит.

Зонд СТМ может работать в двух режимах: в режиме визуализации, тогда он показывает изображение с атомарным разрешением и в режиме манипулятора, когда кончик зонда удаляет или перемещает атомы вещества с такой же точностью. По понятным причинам в первом случае используются более слабые токи и напряжения, чем во втором.

До сих пор точность использования зонда СТМ для манипуляции атомами была недостаточно высокой. Оператор мог легко ошибиться и выхватить зондом атом водорода не там, где это нужно. Исследователи из Техасского университета случайно выяснили, что зонд микроскопа может манипулировать атомами водорода даже в режиме визуализации и это происходит с потрясающей точностью.

«Мы поняли, что действительно можем использовать этот метод для контролируемого удаления атомов водорода, — сказал руководитель исследования доктор Реза Мохеймани (Reza Moheimani). — Это стало неожиданностью. Это одна из тех вещей, которые случаются во время экспериментов, и вы пытаетесь объяснить это и воспользоваться этим».

Понятно, что для промышленного применения нужен совсем другой инструмент, чем лабораторный сканирующий туннельный микроскоп. Поэтому учёные собираются изучить вопрос создания устройства с множеством параллельно работающих зондов и ускорить процесс манипулирования атомами. Прибор со 100 зондами и со скоростью в 10 раз большей, чем работа СТМ даст 1000-кратный прирост производительности, и тогда можно будет говорить о коммерческом применении разработки.

Алмазы в виде тончайших плёнок — фактически двумерный аналог алмаза — представляют практический интерес как источники одиночных фотонов в квантовых компьютерах или основы для полупроводников с широкой запрещённой зоной, что гарантирует высочайшую эффективность работы. Но тонкоплёночные алмазы толщиной в несколько атомарных слоёв практически невозможно создать традиционной методикой. Пришлось разрабатывать новую.

Источник изображения: НИТУ «МИСиС»

Как сообщает нам пресс-релиз НИТУ «МИСиС», российские учёные совместно с коллегами из США разработали методику, позволяющую превращать многослойный графен в тончайшую наноалмазную пленку.

Теоретически превращение многослойного графена в тончайшую наноалмазную пленку шесть лет назад обосновала группа учёных во главе с доктором физико-математических наук НИТУ «МИСиС» Павлом Сорокиным и профессором Б.И. Якобсоном из США. В теории, слои графена, уложенные друг на друга, можно превратить в так называемый диаман, двумерный аналог алмаза, который будет оставаться стабильным при нормальном давлении и комнатной температуре.

В своей работе учёные обосновали укладку до 30 слоёв графена, но на практике больше двух слоёв сложить не удалось. Выяснилось, что формированию «двумерного» алмаза препятствует возникновение сильных механических напряжений в структуре многослойного графена при осаждении на его поверхность атомов водорода или фтора. И чем больше слоёв, тем сильнее подавляется нуклеация алмаза (образование зародышевых структур для перехода в новое состояние).

Предложенная группой учёных методика производства плёнок алмаза нанометровой толщины предусматривает облегчение процесса алмазообразования с помощью «небольшого и всего лишь локального давления» на структуру в процессе осаждения». Кроме того, требуется особым образом расположить слои графена. Но результат оправдал усилия. Предложенная технология оказалась достижима в лабораторных условиях и может быть доработана до коммерческого использования на предприятиях, а это означает появление сверхпрочных покрытий и совершенно новой электроники. Хорошее и перспективное открытие. Побольше бы таких.

Термоэлектрические элементы и, шире, эффект Пельтье известны не просто давно, а очень давно. Подобные элементы позволяют либо генерировать электрический ток за счёт разности температур у пары сопряжённых полупроводниковых пластин, либо охлаждать одну из пластин после подачи на пару электрического тока. В свежем исследовании учёные задались вопросом, насколько маленьким можно сделать такой «холодильник», и может ли миниатюризация помочь с охлаждением микросхем.

В нижнем правом углу на изображении можно увидеть «зелёную» капельку росы, подтверждающей эффект охлаждения участка схемы (ACS Nano)

Группа учёных из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработала микроскопическое охлаждающее устройство, которое они описывают как «самый маленький холодильник в мире». Объём этого холодильника приближается к одному кубическому микрометру. Утверждается, что предыдущий рекорд по созданию подобного рода охладителей побит в «более чем десятки тысяч раз».

По словам учёных, хотя никакой практической цели проделанный опыт не несёт, предельная миниатюризация в области термоэлектрических элементов ведёт к пониманию фундаментальных законов и термоэлектрических явлений на атомном и близком к нему уровням. Впоследствии, вооружившись новыми знаниями, эффекту можно будет найти практическое применение с хорошей отдачей на более высоких уровнях. Например, создавая интегрированные охладители в составе микросхем или вырабатывая электроэнергию для питания носимой электроники или для других миниатюрных и автономных приборов.

Главная черта предложенного учёными миниатюрного термоэлектрического элемента заключается в том, что он практически безынерционный. При подаче питания на него участок между двумя полупроводниками охлаждается почти мгновенно — в миллионы раз быстрее, чем позволяют осуществить термоэлектрические элементы объёмом в один мм³.

В опыте учёные в качестве материала одного полупроводника использовали теллурид висмута (Bi₂Te₃), а вторым материалом был выбран теллурид сурьмы-висмута (Sb_2–xBi_xTe₃). Подробнее об эксперименте сообщается в журнале ACS Nano.

Одним секундным нажатием кнопки на лазерной указке мы отправляем в путь квинтильоны фотонов. Но для создания квантово-фотонных компьютеров необходимы условные транзисторы, способные излучать одиночный фотон, что на современном этапе развития науки и техники сделать крайне сложно. Американские учёные обнаружили путь к таким «транзисторам» и даже смогли разглядеть их в специально созданный «нанооптический» микроскоп.

Зонд нанооптического микроскопа с лазерной подсветкой позволяет рассмотреть объект размерами 10 нм (Nicholas Borys/Montana State University)

Уже какое-то время известно, что однофотонные излучатели могут возникать на поверхности 2D-материалов — структур толщиной с один атом. Считалось, что такие однофотонные излучатели возникают в местах дефектов кристаллической структуры. Например, ранее подобные «очаги» по излучению одиночных фотонов были выявлены в дефектах кристаллической структуры алмазов. С 2D-материалами проблема была в том, что для обнаружения источника излучения одиночных фотонов обычные оптические микроскопы не подходят, поскольку не позволяют увидеть объект размерами менее 500 нм. Для изучения процесса требовалось что-то новое. И это новое предложили учёные из Колумбийского университета и Университета штата Монтана.

Исследователи создали «нанооптический» микроскоп с разрешением 10 нм. Новый прибор позволил установить, что однофотонные излучатели на поверхности 2D-материалов образуются не в местах дефектов, а в складках материала, которые возникают на участках напряжённости в материале. Напряжённость же можно создать искусственно с помощью пузырьков с газом или жидкостями, что открывает путь к контролируемому образованию однофотонных излучателей на поверхности 2D-материалов, что учёные успешно показали в эксперименте с диселенидом вольфрама (WSe₂).

Между двумя 2D-материалами ― диселенидом вольфрама сверху и слоем нитрида бора снизу — были созданы карманы (пузырьки) с газом. На границах пузырьков образовались складки напряжённости 2D-материала в виде бублика. Всё это удалось рассмотреть в нанооптический микроскоп и зафиксировать одиночные излучения фотонов в этих областях. При этом важно отметить, что все явления происходили при комнатной температуре.

«Наши результаты означают, что полностью перестраиваемые при комнатной температуре однофотонные излучатели теперь в наших руках, что прокладывает путь к управляемым и практическим квантовым фотонным устройствам», ― замечает один из авторов исследования Джеймс Шак. «Эти устройства могут стать основой для квантовых технологий, которые глубоко изменят вычислительные, сенсорные и информационные технологии, какими мы их знаем».