Транзистори на основі вуглецю, а не кремнію, потенційно можуть підвищити швидкість роботи комп’ютерів і знизити споживання енергії більш ніж у тисячу разів – згадайте мобільний телефон, який заряджається місяцями, – але набір інструментів, необхідних для побудови діючих вуглецевих ланцюгів, залишається неповним до тих пір, поки зараз.
Команда хіміків та фізиків з Каліфорнійського університету в Берклі нарешті створила останній інструмент у наборі інструментів – металевий дріт, повністю виготовлений із вуглецю, що створило основу для нарощування досліджень з побудови транзисторів на основі вуглецю і, зрештою, комп’ютери.
“Перебування в одному матеріалі, в області вуглецевих матеріалів, є тим, що об’єднує цю технологію зараз”, – сказав Фелікс Фішер, професор хімії в Університеті Берклі, зазначивши, що здатність виготовляти всі елементи ланцюга з одного матеріалу робить виготовлення легше. “Це було однією з ключових речей, якої не вистачало у загальній картині архітектури інтегральних схем на основі вуглецю”.
Металеві дроти – як металеві канали, що використовуються для з’єднання транзисторів в комп’ютерній мікросхемі, – передають електроенергію від пристрою до пристрою і з’єднують між собою напівпровідникові елементи всередині транзисторів – будівельних блоків комп’ютерів.
Група UC Berkeley вже кілька років працює над тим, як виготовити напівпровідники та ізолятори з графенових нанострічок, що представляють собою вузькі одновимірні смужки атомно-товстого графена, структури, що складається повністю з атомів вуглецю, розташованих у взаємозв’язаному гексагональному малюнку, схожому на курку.
Зображення скануючого тунельного мікроскопа широкосмугової металевої нанострічка графена (GNR). Кожному кластеру відповідає поодиноко зайнята електронна орбіталя. Утворення п’ятикутного кільця біля кожного скупчення призводить до більш ніж десятикратного збільшення провідності металевих GNR. Магістраль GNR має ширину 1,6 нанометра.
(Зображення UC Berkeley, Даніель Ріццо)
Новий метал на основі вуглецю – це також нанострічка графена, але розроблена з урахуванням провідності електронів між напівпровідними нанострічками у суцільновуглецевих транзисторах. Металеві нанострічки були побудовані шляхом їх складання з менших однакових будівельних блоків: підхід знизу вгору, сказав колега Фішера Майкл Кроммі, професор фізики з університету в Берклі. Кожен будівельний блок вносить електрон, який може вільно текти вздовж нанострічки.
Хоча інші матеріали на основі вуглецю, такі як протяжні двовимірні листи графена та вуглецеві нанотрубки, можуть бути металевими, вони мають свої проблеми. Наприклад, переформуючи 2D-лист графена в нанометрові смуги, мимовільно перетворює їх на напівпровідники або навіть ізолятори. Вуглецеві нанотрубки, які є чудовими провідниками, не можна готувати з такою точністю і відтворюваністю у великих кількостях, як нанострічки.
“Нанострічки дозволяють нам хімічно отримувати доступ до широкого спектру структур, використовуючи виготовлення знизу вгору, що ще неможливо з нанотрубками”, – сказав Кроммі. «Це дозволило нам в основному з’єднати електрони, щоб створити металеву нанострічку, чого раніше не робилося. Це одна з найбільших проблем у галузі технології нанострічок з графеном, і чому ми так раді цьому “.
Нанострічки з металевого графена – які мають широку, частково заповнену електронну смугу, характерну для металів – повинні бути порівнянними за провідністю з самим двовимірним графеном.
“Ми думаємо, що металеві дроти – це справді прорив; це перший випадок, коли ми можемо навмисно створити надвузький металевий провідник – хороший, власний провідник – з матеріалів на основі вуглецю, без необхідності зовнішнього легування », – додав Фішер.
Кроммі, Фішер та їх колеги з UC Berkeley та Національної лабораторії Лоуренса Берклі (Berkeley Lab) опублікують свої висновки у випуску журналу Science від 25 вересня.
Налаштування топології
Інтегральні схеми на основі кремнію живлять комп’ютери протягом десятиліть із постійно зростаючою швидкістю та продуктивністю, згідно із законом Мура, але вони досягають свого обмеження швидкості – тобто наскільки швидко вони можуть перемикатися між нулями та одиницями. Також стає все важче зменшити споживання енергії; комп’ютери вже використовують значну частину світового виробництва енергії. Комп’ютери на основі вуглецю можуть потенційно переключатися в рази швидше, ніж кремній-комп’ютери, і використовувати лише частку потужності, сказав Фішер.
Графен, який є чистим вуглецем, є провідним суперником цих комп’ютерів на основі вуглецю наступного покоління. Вузькі смуги графену, в основному, є напівпровідниками, однак проблема полягала в тому, щоб вони також працювали як ізолятори та метали – протилежні крайності, абсолютно непровідні та повністю провідні, відповідно – для побудови транзисторів та процесорів повністю з вуглецю.
Кілька років тому Фішер та Кроммі об’єдналися з вченим з теоретичних матеріалів Стівеном Луї, професором фізики з Берклі, щоб відкрити нові способи з’єднання невеликих довжин нанострічки для надійного створення повної гами провідних властивостей.
Два роки тому команда продемонструвала, що, правильно з’єднавши короткі сегменти нанострічки, електрони в кожному сегменті можуть бути розташовані так, щоб створити новий топологічний стан – особливу квантову хвильову функцію, що призводить до регульованих напівпровідникових властивостей.
У новій роботі вони використовують подібний прийом для зшивання коротких відрізків нанострічок, щоб створити провідний металевий дріт довжиною в десятки нанометрів і ледь нанометром в ширину.
Нанострічки були створені хімічним способом та зображені на дуже рівних поверхнях за допомогою скануючого тунельного мікроскопа. Просте нагрівання використовувалось, щоб спонукати молекули хімічно реагувати і з’єднуватися в потрібний спосіб. Фішер порівнює збірку ланцюжків будівельних блоків із набором Legos, але Legos розроблений для розміщення в атомному масштабі.
«Всі вони точно спроектовані, так що існує лише один спосіб їх поєднання. Це так, ніби ти береш мішок Legos, ти його струшуєш, і виходить повністю зібрана машина », – сказав він. “У цьому магія управління самозбіркою за допомогою хімії”.
Після збирання електронний стан нової нанострічки був метал – так само, як і передбачав Луї – з кожним сегментом, що вносить один провідний електрон.
Остаточний прорив можна пояснити щохвилинною зміною структури нанострічки.
«Використовуючи хімію, ми створили крихітну зміну – зміну лише одного хімічного зв’язку приблизно на кожні 100 атомів, але яка збільшила металічність нанострічки у 20 разів, і це важливо, з практичної точки зору, до зробить це хорошим металом, – сказав Кроммі.
Двоє дослідників працюють з інженерами-електриками в UC Berkeley, щоб зібрати набір інструментів з напівпровідникових, ізолюючих та металевих графенових нанострічок у робочі транзистори.
“Я вірю, що ця технологія зробить революцію в тому, як ми будуємо інтегральні схеми в майбутньому”, – сказав Фішер. «Це повинно зробити нам великий крок уперед від найкращих характеристик, які можна очікувати від кремнію прямо зараз. Тепер у нас є шлях до більш швидких швидкостей перемикання при значно нижчому енергоспоживанні. Це те, що буде поштовхом до вуглецевої електронної напівпровідникової промисловості в майбутньому ».
Співголовні автори статті – Даніель Ріццо та Цзінгвей Цзян з фізичного факультету UC Berkeley та Грегорі Вебер з хімічного факультету. Інші співавтори – Стівен Луї, Райан МакКерді, Тінг Цао, Крістофер Броннер та Тінг Чен з UC Berkeley. Цзян, Цао, Луї, Фішер та Кроммі пов’язані з лабораторією Берклі, тоді як Фішер та Кроммі є членами Інституту нанонаук Kavli Energy.
Дослідження підтримали Управління морських досліджень, Міністерство енергетики, Центр енергоефективної електроніки та Національний науковий фонд.
Довідка:
Кремній (Si від лат. Silicium) – елемент чотирнадцятої групи (за старою класифікацією – головної підгрупи четвертої групи), третього періоду періодичної системи хімічних елементів з атомним номером 14. Атомна маса 28,085. Неметал, другий за поширеністю хімічний елемент в земній корі (після кисню). Дуже важливий для сучасної електроніки.
