Российские ученые, профессионально украшающие Курчатовский институт, создали необычный функциональный материал на базе кремния и германия, который может стать основой устройств современной электроники. Сегодня рынок стремиться к конкуренции в двух ипостасях: оборудования для изготовления наноструктурированных материалов и устройств микросистемной техники и рынок магнитных наноматериалов.
Для создания инновационных устройств наноэлектроники, фотоники и спинтроники необходимы прорывные работы, исследования и достижения в материаловедении, оптике, химии и смежных дисциплинах. Термин спинтроника (spintronics) появился впервые в 1998 г. в совместном проекте лабораторий Белла и Йельского университета, в котором была сформулирована задача создания устройств, сохраняющих информацию в атомах вещества, где биты кодировались бы электронными спинами. Спин электрона может находиться в одном из двух состояний − либо «спин вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала S), либо «спин вниз» (спин и намагниченность разнонаправлены -S). Так в цифровой электронике появился еще один переносчик двоичной информации, кодирующий в направлении спина либо 1, либо 0.
Причём основной упор в перспективных разработках делается на слоистые структуры, свойства которых зависят от количества монослоев. Их создание и изучение возможно благодаря разработке оригинального метода синтеза с использованием прекурсоров на основе силицена и германена. Так базис новейших электронных технологий и устройств анонсирован в Курчатовском институте в конце июня 2023 года.
Интеграция с полупроводниковой платформой обеспечивается так. Материалы EuAl2Ge2 и SrAl2Ge2 характеризуются высокой подвижностью носителей заряда и сверхпроводимостью. При использовании реагентов подложек на кремниевой и германиевой основе, в качестве прекурсора в первом случае применялся силицен, а во втором – германен.
Уже созданы классы новых материалов cо свойствами магнетизма и сверхпроводимости, обладающих различными функциональными характеристиками, полезными для разработки устройств наноэлектроники, к примеру, тонкопленочный материал SrAlSi на кремниевой подложке. Ранее относительно высокая подвижность носителей и магнетизм считались взаимно исключающими свойствами, однако слоистая структура EuAl2Ge2 обеспечила возможность их сосуществования в условно одном материале.
В инновационном материале сверхпроводящие свойства фиксируют даже при толщине в несколько монослоев.
В дополнении к этому идея «водно-лазерного» полупроводникового перехода появилась давно, и стала концептуальной. В конце 2022 года исследователи из Рурского университета (г. Бохум, Германия) разработали полупроводниковую схему, на основе обычной как это принято говорить у нас, воды. Но вода может быть разной по свойствам – плотности, проводимости, жесткости и т.д. В свое время мы обратились в отделение Роспотребнадзора с предложением определить состав родниковой «ключевой», и даже декаду лет назад в региональном отделении можно было провести такой анализ по более чем 200 позициям (при сопоставимой стоимости примерно в 120 тысяч рублей).
И при этом вода не перестает быть проводником электрического тока. Важно понимать – в какой степени и как можно воздействовать на жидкости на основе воды, и не только воды…. Таким образом, проводимостью водных «переходов» по условной аналогии с полупроводниками из кремния и германия можно управлять. Причем реакции воздействия происходит с относительно большой скоростью, намного опережающей уже имеющиеся наработки. А это в свою очередь дает большие перспективы для разработки новых, в том числе газообразных и жидких полупроводниковых материалов, для решения задач сверхбыстродействия в современной электронике. Такие разработки пока вне конкуренции.
Изначально в чистую воду добавляют йод, значительно снижающий ее электрическую проводимость. Воду пропускают через специальную форсунку, чтобы получить «плоскую» по форме потока струю жидкости толщиной несколько микрон. Сей поток (струю) «облучают» лазером. Воздействие квантового генератора даже условно небольшой мощности приводит к тому, что ионы йода выделяются и резистентность воды (жидкости) резко сокращается, а проводимость соответственно увеличивается. Электронный датчик и тоже с лазерным наведением «считывает» изменения в составе жидкости, а электронная компьютерная система определяет состояние проводимости элементов и кристаллов, примерно так же, как электрическим током на классический полупроводниковый переход воздействовали для изменения его состояния. В результирующем значении все та же задача – создать наиболее возможное усиление первоначального, даже ничтожно малого электрического, оптического или совместимого сигнала.
Преимущество технологии: скорость работы квантовых генераторов (электронных лазеров) позволяет менять химический состав и проводимость воды даже за несколько пикосекунд. Это перспективы для создания микропроцессорной техники с большим быстродействием – с частотой в диапазоне терагерц, что в тысячи раз выше современных гигагерцовых CPU и APU.
Кроме того, значительное внимание разработчиков нанотехнологий уделено фотонике, которую по праву называют «микроэлектроникой XXI века». Как область знаний, фотоника изучает оптические сигналы и создаваемые на их базе электронные устройства различного назначения; по сути, это аналог электроники, в котором вместо электронов используются фотоны. В 2019 году российские ученые совместно с IBM Research испытали оптический транзистор, работающий при комнатной температуре. Будущее за фотонными интегральными схемами.
Также есть новости с области совершенствования отечественного производства и выработки материалов для аккумуляторов. Типично для получения лития применяется серная кислота, что приводило к образованию отходов и загрязнению окружающей среды. Новые материала и перспективы производства РЭА связаны с разработкой производственной структуры, экологической технологии добычи лития. Утверждается, что ученые из ГЕОХИ РАН создали технологию получения редкого металла лития из руды или пластовых рассолов — растворов, которые выделяются в процессе добычи нефти. Так получен карбонат лития 99,5% чистоты, используемый в современных аккумуляторах. А это позволяет перерабатывать литийсодержащее сырье непосредственно на месте добычи, что исключает затраты на транспортировку руды.
Андрей Петров-оглы
Комментарии