Сегодня 12 апреля 2024
18+
MWC 2018 2018 Computex IFA 2018
реклама
Теги → нанотехнологии
Быстрый переход

Ученые создали первый функциональный полупроводник из графена — у него есть потенциал заменить кремний

Учёные из Технологического института Джорджии утверждают, что создали «первый в мире функциональный полупроводник, изготовленный из графена». Созданный ими эпитаксиальный графен совместим с традиционными методами производства микроэлектроники, благодаря чему он может считаться реальной альтернативой кремнию.

 Источник изображений: Georgia Tech

Источник изображений: Georgia Tech

Технологические эксперты постоянно указывают на необходимость сохранения возможности использования закона Мура в вопросе производства электроники. Однако одна из ключевых проблем, с которой сталкиваются те, кто двигают индустрию производства полупроводников вперёд, заключается в том, что физические свойства кремния приближаются к своим пределам. С другой стороны, графен с момента его открытия в 2004 году постоянно рекламируется как чудо-материал, призванный решить все проблемы, связанные с производством полупроводников в будущем. Тем не менее, попытки его использования пока не способствовали какому-либо значительному или широко распространённому технологическому прорыву. Однако исследователи из Технологического института Джорджии, похоже, действительно совершили значительный шаг вперёд в этом вопросе, объединив очищенный эпитаксиальный графен с карбидом кремния в составе полупроводника.

Исследование ведёт группа учёных из США и Китая под руководством профессора физики из Технологического института Джорджии Уолтера де Хира (Walter de Heer). Де Хир работает над технологиями 2D-графена с начала 2000-х годов.

«Нас мотивировала надежда внедрить три особых свойства графена в электронику. Это чрезвычайно прочный материал, который может выдерживать очень большие токи, при этом не нагреваясь и не разрушаясь», — комментирует учёный.

Однако несмотря на эти три свойства ключевая полупроводниковая характеристика в материалах на основе графена до сих пор отсутствовала. «Давняя проблема в графеновой электроники заключается в том, что графен не имеет правильной запрещенной зоны и не может включаться и выключаться, то есть переходить из одного состояния в другое, с правильным соотношением», — отмечает специалист по наночастицам и наносистемам доктор Лэй Ма (Lei Ma), коллега де Хира из международного цента Тяньцзиньского университета, который также является соавтором работы «Сверхвысокомобильный полупроводниковый эпитаксиальный графен на карбиде кремния», опубликованной в журнале Nature.

Исследователи поясняют, что они нашли способ выращивать графен на пластинах карбида кремния с использованием специальных печей, получив в итоге эпитаксиальный графен, объединённый с карбидом кремния. Согласно официальному блогу Технологического института Джорджии, на совершенствование этого материала ушло десятилетие. Его нынешние испытания показывают, что полупроводниковый материал на основе графена демонстрирует в десять раз большую подвижность электронов, чем кремний.

«Иными словами, электроны в материале движутся с очень низким сопротивлением, что в электронике приводит к более быстрым вычислениям», — поясняется в пресс-релизе института.

Де Хир объясняет привлекательные свойства электроники на основе графена более простыми словами: «Это всё равно, что ехать по автостраде, а не по гравийной дороге. Он [материал на основе графена] более эффективен, не так сильно нагревается и позволяет электронам развивать более высокую скорость».

По словам учёных, их эпитаксиальный графен, объединённый с карбидом кремния, намного превосходит любые другие 2D-полупроводники, находящиеся в разработке. Профессор де Хир охарактеризовал прорыв его группы исследователей в области полупроводниковых материалов как «момент братьев Райт», а также подчеркнул совместимость материала с квантово-механическими волновыми свойствами электронов. Другими словами, он может сыграть важную роль в будущих достижениях в области квантовых вычислений.

В Калтехе разработали метод 3D-печати прочных нанометровых металлических структур

Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) добились значительного прогресса в области 3D-печати, разработав методику, позволяющую создавать металлические наноструктуры размером всего в 150 нанометров, что сопоставимо с размерами вируса гриппа. Эти структуры обладают прочностью в 3-5 раз выше, чем у макроскопических аналогов. Открытие, опубликованное в журнале Nano Letters, открывает новые перспективы для разработки наносенсоров, теплообменников и других нанотехнологических устройств.

 Источник изображений: Caltech

Источник изображений: Caltech

Ведущий автор исследования Вэньсинь Чжан (Wenxin Zhang) отмечает: «На атомарном уровне эти наноматериалы имеют очень сложную микроструктуру». В макроскопическом масштабе такая неупорядоченность атомов привела бы к существенным дефектам, делая материалы слабыми и низкокачественными. Однако на наноуровне этот беспорядок оборачивается преимуществом, увеличивая прочность материала.

«Обычно носитель деформации в металлических наностолбиках — это дислокация или сдвиг — распространяется, пока не сможет выйти на внешнюю поверхность. Но в присутствии внутренних пор распространение быстро прекращается на поверхности поры, а не продолжается через весь столбик. Как правило, инициировать носитель деформации сложнее, чем позволить ему распространяться, что объясняет, почему данные столбики могут быть прочнее своих аналогов», — объясняет Чжан. Это свойство делает наноструктуры неожиданно прочными.

Технология создания наноматериалов включает в себя работу с фоточувствительной смесью, содержащей гидрогель, которую затем затвердевают лазером, создавая 3D-каркас в форме желаемых металлических объектов. В этом исследовании объектами были серии микростолбиков и нанорешёток. Затем гидрогелевые детали пропитывают водным раствором, содержащим ионы никеля.

 Наноразмерная решётка, полученная по новой методике, разработанной в лаборатории Джулии Р. Грир (Julia R. Greer)

Наноразмерная решётка, полученная по новой методике, разработанной в лаборатории Джулии Р. Грир (Julia R. Greer)

После насыщения металлическими ионами детали обжигают до полного выгорания гидрогеля, оставляя части в той же форме, что и оригинальные, но уменьшенные и состоящие полностью из металлических ионов, теперь окисленных (связанных с атомами кислорода). На последнем этапе атомы кислорода химически удаляют из деталей, превращая металлический оксид обратно в металлическую форму.

«Во время этого процесса одновременно происходят все термические и кинетические процессы, и они приводят к очень сложной микроструктуре. Вы видите дефекты, такие как поры и нерегулярности в атомной структуре, которые обычно считаются дефектами, уменьшающими прочность. Если бы вы строили что-то из стали, например блок двигателя, вы бы не хотели видеть такую микроструктуру, потому что она значительно ослабила бы материал», — рассказывает Джулия Р. Грир (Julia R. Greer), профессор материаловедения, механики и медицинской инженерии Caltech и руководитель лаборатории, где проводилось исследование. Однако в данном случае эти дефекты, напротив, увеличивают прочность материала на наноуровне.

 Нерегулярная внутренняя структура никелевого микростолбика

Нерегулярная внутренняя структура никелевого микростолбика

Процесс 3D-печати металлических структур на наноуровне, по словам Грир, может найти применение в создании множества полезных компонентов, включая катализаторы для водорода, электроды для хранения аммиака и других химикатов без углерода, а также важные части устройств, таких как сенсоры, микророботы и теплообменники.

 Аспирантка факультета машиностроения Вэньсинь Чжан (Wenxin Zhang) работает в лаборатории нанотехнологий

Аспирантка факультета машиностроения Вэньсинь Чжан (Wenxin Zhang) работает в лаборатории нанотехнологий

Это открытие подчёркивает необычные свойства материи на наноуровне и предвещает революцию в создании нанотехнологических устройств. «Физика на наноуровне действительно странная, и чем глубже мы погружаемся в этот мир, тем чаще сталкиваемся с необычными законами», — заключает Чжан. Это напоминает о том, что наука и технологии неустанно движутся вперёд, открывая новые возможности для применения наноматериалов в различных сферах, от медицины до космических исследований.

Hyundai рассказала о нанотехнологиях: заживляющееся покрытие, солнечная супербатарея и умное сиденье

Hyundai Motor рассказала о шести разработанных нанотехнологиях, способных повлиять на развитие транспорта будущего — спектр их применения простирается от машин с автопилотом до программно определяемых автомобилей.

 Источник изображения: Hyundai Motor Group

Источник изображения: Hyundai Motor Group

Первым новым наноматериалом от Hyundai Motor стало самовосстанавливающееся полимерное покрытие, позволяющее удалять царапины и отталкивать воду с поверхности камер и лидаров на беспилотных автомобилях. При комнатной температуре материал восстанавливается за два часа, а при -10 °C процесс занимает около суток. В серийном производстве технология начнёт применяться в 2025–2026 гг. Вторая нанотехнология связана с первой: полимерное покрытие масляных капсул позволяет уменьшить трение и износ автодеталей — эффективность этого решения на 50 % выше, по сравнению с аналогами других разработчиков. Эта технология дебютирует в серийных машинах Hyundai и Kia уже в текущем году.

Третья нанотехнология представляет собой солнечную перовскитную солнечную батарею, которая поглощает до 10 раз больше солнечного света по сравнению с кремниевой. Четвёртым решением стал так называемый тандемный солнечный элемент, сочетающий перовскит и кремний и предлагающий более высокую 30-% эффективность, чем кремниевые или перовскитные элементы по отдельности. Установка таких элементов на крышах, капоте и дверях электромобиля добавит машине от 20 до 40 км запаса хода.

Пятая технология — устанавливаемый на сиденьях сенсор давления на основе углеродных нанотрубок. Он позволит экономить 140 Вт электроэнергии и предлагает дополнительные функции: измерение дыхательного ритма и частоты сердечных сокращений. Технология имеет значительный потенциал не только в автопроме, но и в отрасли здравоохранения. Наконец, последней инновацией стала охлаждающая плёнка, предназначенная для нанесения на окна автомобилей — этот компонент позволяет уменьшить внутреннюю температуру на 6,89 °C ниже, чем существующие аналоги.

Российские и английские учёные впервые изучили кремниевые панцири водорослей — это пригодится в кремниевой фотонике, MEMS и не только

В Scientific Reports вышла статья группы авторов из Сколтеха, НИТУ МИСИС и Оксфорда с детальным описанием физических характеристик кремниевых панцирей планктона. Копируя структуру и строение панцирей, можно создать мембрану для миниатюрного сверхчувствительного и при этом потребляющего мало энергии микрофона, фотонный кристалл или нечто другое, на что у природы ушло миллиарды лет.

 Источник изображений: НИТУ МИСИС

Источник изображений: НИТУ МИСИС

Для изучения свойств и строения панцирей диатомовых водорослей — одноклеточных организмов с поразительными свойствами — исследователи задействовали самый передовой инструментарий, включая атомно-силовую микроскопию и наноиндентирование (на образец надавливают алмазной иглой и регистрируют его деформацию). Пожалуй, эта работа стала первым исследованием, в котором свойства кремниевых панцирей диаметром всего 30–40 мкм были изучены очень и очень детально.

Жёсткость, упругость, способность выдерживать деформации, вибрации и степень восстановления, а также многие другие параметры до этого никогда и никем не регистрировались. Полученные российскими и английскими учёными данные станут отправной точкой для множества других работ в этом направлении, что в конечном итоге обещает привести к появлению множества новых технологий, материалов и решений, включая оптронику, MEMS и наномеханику.

«Эволюционный успех и большое значение диатомовых для биосферы Земли говорят о том, что их структура оказалась оптимальна с точки зрения оптики, механики и биохимии одновременно, также при этом сводя к минимуму вес и расход материала», — пояснил заведующий Кафедрой физической химии НИТУ МИСИС, старший инженер-исследователь Центра системного проектирования Сколтеха Алексей Салимон.

Как говорится в статье научного коллектива в Scientific Reports, подобные стеклянному кружеву экзоскелеты диатомовых водорослей «являются неисчерпаемым источником вдохновения для разработки новых материалов и устройств». Они уже применяются для очистки воды от тяжёлых металлов, а также в качестве мягких абразивных веществ в составе зубной пасты, но сфера их применения не должна ограничиваться только этим. Учёные и инженеры могут вдохновиться совершенством этих естественных объектов и реализовать подсмотренное у природы в современном мире, включая электронику и наноустройства.

Учёные создали рабочий датчик изображения с 900 пикселями толщиной в один атом

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

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.

Физики запустили «информационный» двигатель — биты и байты стали «топливом»

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

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.

Американские учёные показали, как строить чипы снизу вверх — сейчас их создают наоборот

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

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.

Физики из США смогли покрутить «колёсико» всего из одной молекулы

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

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.

Новая статья: Нанометры в микроэлектронике: физика, маркетинг и здравый смысл

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


window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
Corsair выпустила коллекцию устройств для стримеров Elgato в стиле Fallout 4 мин.
Учёные решили одну из космических загадок: «звёздный каннибализм» наделяет массивные звезды магнитными полями 5 мин.
Производство российской электроники под угрозой — банки Китая начали блокировать оплату компонентов 55 мин.
Biostar выпустила видеокарту Intel Arc A750 OC с синей платой и простой системой охлаждения 60 мин.
GAC наладит выпуск твердотельных тяговых батарей с запасом хода более 1000 км через два года 2 ч.
Transcend представила 2-Тбайт индустриальные M.2 SSD с интерфейсом PCIe 4.0 2 ч.
Вышел одноплатный компьютер Orange Pi 5 Pro с чипом Rockchip, 16 Гбайт ОЗУ и коннектором M.2 2280 NVMe 2 ч.
Модуль LattePanda Mu для IoT- и edge-устройств оснащён процессором Intel Alder Lake-N 2 ч.
Китай приносит Intel, Nvidia и другим американским чипмейкем больше денег, чем США 2 ч.
Акции Apple внезапно подскочили на 4,3 % — до максимума с мая прошлого года 3 ч.