Графен, фосфорен, силицен, станен, …

Процессор и ..

Охлаждение ПК

Статьи

Полезные советы

Ссылки

Электроника

Linux

Список литературы

Проекты, идеи

Давно известно, что материалы имеют существенно отличающиеся физические свойства в зависимости от чистоты, структуры.
Так например тонкие пленки многих металлов приобретают новые физические свойства при сверхнизких температурах. Тонкие нити из многих полимеров имеют прочность много большую чем массив полимеров. Обнаружен рост теплопроводности вдоль нити у тонких нитей полимеров.
Появление атомарных пленок веществ (еще их называют двумерными) показало, что они обладают новыми, очень интересными свойствами. Удалось получить одноатомные слои кремния — силицен — и германия — германен.

 

 

Недавно появилось сообщение о том что IBM отрапортовала о новых достижениях в разработке технологий производства микрочипов на основе графена. Учёным удалось создать самую прогрессивную в мире полнофункциональную интегральную схему с применением этой двумерной аллотропной модификации углерода.

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, соединённых в гексагональную сотоподобную кристаллическую решётку. Эта двумерная форма углерода обладает уникальными электрическими, оптическими, механическими и тепловыми свойствами.

«Ключевое преимущество графена в очень высоких скоростях распространения электронов в этом материале, что является важнейшим условием для создания быстродействующих высокопроизводительных транзисторов следующего поколения», — говорят в IBM.

Электронные цепи, выполненные на основе графена, обеспечат более высокую скорость передачи данных при меньшем по сравнению с кремниевыми изделиями энергопотреблении. Так, созданная в IBM экспериментальная графеновая схема для беспроводных приёмопередатчиков потребляет всего 20 мВт мощности в рабочем режиме. В ходе тестирования удалось успешно принять и восстановить сообщение «I-B-M» на частоте 4,3 ГГц без каких-либо искажений.

Более того, экспериментальная схема показывает в 10 000 раз более высокое быстродействие, нежели все предыдущие разработки.

 

Открытый десять лет назад графен, несмотря на несколько выдающихся качеств, несёт в себе и врождённые ограничения — такие, например, как отсутствие запрещённой зоны, обязательной для полупроводников.

Именно поэтому Пэйдэ Е (Peide Ye) и его коллеги из Университета Пердью (США) попробовали выделить аналог графена из чёрного фосфора — многослойной структуры, про которую сам г-н Пэйдэ так и говорит: «Посмотрев на его свойства в Википедии, уже через полчаса я понял, что у него есть потенциал». Потенциал для того, чтобы стать сырьём для получения одноатомных пластин фосфора.

 

 

«Технология» получения фосфорена пока ничем не отличается от того, что было явлено г-ми Геймом и Новосёловым в первые дни графена: липкая лента и чёрный фосфор, от которого этой лентой отрываются всё более тонкие слои. Кустарщина, конечно, но для изучения базисных свойств большего и не нужно. Что же удалось выяснить?

Материаловеды создали простейший транзистор из фосфора и взглянули на его свойства как полупроводника. Оказалось, что он имеет запрещённую зону, как все полупроводники - это одно из его преимуществ перед графеном.

В теории материалы, сходные с графеном (тонкие одноатомные слои), с кремнием уже применялись, породив силицен. Хотя последний — полупроводник, тем не менее его особенности, в том числе врождённая тяга к самоуничтожению, исключают создание на его основе работающих транзисторов. Станен — столь же перспективный (как и графен) материал на основе олова — пока, к сожалению, трудно получить в виде пластин, отчего его свойства всё ещё известны больше по теоретическим симуляциям, нежели по натурным исследованиям. Похоже, фосфорен — пока единственный естественный двумерный полупроводник р-типа, который есть в загашнике у материаловедов.

И всё же говорить о тождественности топологии графена и фосфорена в том, что касается их полной двумерности, пока стоит с большой осторожностью. Фосфор имеет три ковалентные связи, а не четыре, как углерод, а потому его поверхность сильно «вспучена», будучи не такой плоской, как у графена. В то же время это придаёт ему дополнительные возможности, связанные с наличием запрещённой зоны. Поэтому на практике сильные стороны этого материала являются порождением его неполной двумерности. По итогам экспериментов, модулирование тока на стоке у опытного фосфоренового транзистора, размещённого на подложке из оксида кремния, на четыре порядка лучше, чем у графена, и максимальный уровень модуляции для фосфорена всё ещё не достигнут, подчёркивают учёные. Ограничением пока служит подложка из этого самого оксида кремния.

 

 

Что у него с подвижностью электронов?

Она зависит от толщины слоя фосфорена, которая на практике пока колеблется. Для дырок она достигает 1 000 см²/В•с (для фрагмента фосфорена толщиной 10 нм).

Особо подчёркивается, что с помощью двумерных полупроводников р-типа, представленных фосфореном, можно получить «напарников» для двумерных полупроводников n-типа, вроде дисульфида молибдена. И американская группа уже создала CIMOS-инвертор, где фосфорен функционирует в PMOS-, а дисульфид молибдена — в NMOS-структурах.

Как считают учёные, работоспособность такого сочетания означает, что сразу после создания технологий массового производства материалов на основе фосфорена он может быть использован в электронике современного типа, значительно улучшая её характеристики без необходимости в применении транзисторов нетривиальных схем, как это имеет место с графеном.

 

 

Стэнфордский университет (США) в лице Шоучэн Чжана (Shoucheng Zhang) и его коллег из других стран и вузов показал, что двумерное олово способно стать очередным чудо материалом.

 

 

Нет, правда, слой олова одноатомной толщины, похоже, и впрямь обладает выдающимися качествами. Сами разработчики наказывают его «станен» — от латинского stannum, что значит «олово», и, понятное дело, с прибавлением «графенового» суффикса.

Всё последнее десятилетие г-н Чжан и его группа изучали свойства того класса материалов, что откликается на название «топологические изоляторы» (ТИ). Они электропроводны только на своих внешних краях, во всём остальном оставаясь диэлектриками. В итоге, когда их производят из одноатомного слоя какого-нибудь материала, края таких изоляторов проводят ток со стопроцентной эффективностью, причём при комнатной температуре.
«Волшебство топологических изоляторов в том, что по своей природе они заставляют электроны двигаться по чётко определённым полосам, без скоростных ограничений, как на немецком автобане, — объясняет исследователь. — Пока они остаются «на трассе» (краях поверхностей из такого материала) электроны будут путешествовать без сопротивления».

Исследуя структуры ТИ, та же научная группа предсказала в 2006-2009 гг., что ряд соединений, таких как теллурид ртути и некоторые другие, будет обладать подобными свойствами, и последующие эксперименты других учёных подтвердили это.
Тогда материаловеды снова взялись за ту же часть таблицы Менделеева, решив попытать счастья с оловом.
Проведя необходимые расчёты, они пришли к выводу, что одноатомный слой олова будет топологическим изолятором для температур, равных комнатной и даже несколько выше — вплоть до 100 °С! Хотя это пока лишь теория, всё ещё проверяемая в лаборатории, предыдущие прикидки группы регулярно оправдывались, поэтому можно ожидать, что верным окажется и эта.

В первую очередь станен послужит для соединения множества секций микропроцессора, полагает г-н Чжан. Сегодня это осуществляется с помощью обычных проводников, создающих «пробки» из электронов, что увеличивает энергопотребление и тепловыделение процессоров.
«В будущем мы расскажем об использовании станена во множестве других компонентов микросхем, — говорит руководитель группы. — Быть может, однажды мы даже назовём Кремниевую долину Оловянной, заменив станеном кремний в транзисторах».

 

Фосфорен не единственный аналог графена, состоящий из одного сорта атомов. Ранее удалось получить одноатомные слои кремния — силицен — и германия — германен.

Оба эти материала обладают более высокой электропроводностью, чем фосфорен, но так же, как и графен, не имеют запрещённой зоны. Теоретически, более интересным кандидатом является станен — одноатомный слой олова, обладающий и высокой подвижностью электронов, и запрещённой зоной, но предсказанный только в 2013 год и пока никем не полученный.

Общей проблемой всех обсуждаемых материалов является их нестабильность и совместимость с другими материалами. На воздухе они начинают активно окисляться и быстро разрушаются. Специальные уловки, которыми удалось стабилизировать силицен в 2012 году, все равно пока не позволяют использовать этот материал в реальных устройствах. Фосфорен должен быть более стабильным, чем его конкуренты, но его производство сложнее: для получения чёрной модификации фосфор высокой чистоты требуется помещать под огромные давления. А получение Фосфорена в тонких пленках из исходного вещества по технологиям электронной промышленности требует продолжительной работы.

Как говорится «без труда не вынешь рыбку из пруда».

Собрал А.Сорокин

февраль 2014

Ссылки:

1. Сделано в IBM Labs: Эра графеновых микрочипов все ближе, Владимир Парамонов — 31 января 2014 года
2. Впервые испытаны транзисторы на фосфорене, Александр Березин — 27 января 2014 года
3. Двумерное олово как следующий чудо материал, Александр Березин — 22 ноября 2013 года
4. Как графен, только из фосфора, Артём Коржиманов

 

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь: