Израильские физики разрабатывают чипы толщиной в несколько атомов
Современная кремниевая микроэлектроника подошла к физическому пределу. Чтобы сделать процессоры мощнее, инженеры десятилетиями уменьшали размеры кремниевых транзисторов. Сегодня элементы измеряются нанометрами, и дальше двигаться некуда: на меньших масштабах кремний теряет свои свойства, поскольку электроны начинают «перепрыгивать» через барьеры из-за эффекта квантового туннелирования.
Главным кандидатом на замену кремнию стали двумерные материалы. Среди них выделяется перспективное семейство — максены (MXenes). Это пленки толщиной всего в несколько атомов, состоящие из металлов, углерода или азота.
Потенциал максенов в микроэлектронике настолько велик, что ученые уже говорят о рождении нового направления — «максенотроники».
Большинство двумерных материалов, включая знаменитый графен, «боятся» воды. Для работы с ними физики используют токсичную и дорогую органическую химию. Максены — напротив, «любят воду». Их можно растворить в обычной дистиллированной воде и получить стабильные «чернила». Схемы можно печатать на подложке этими чернилами с помощью специального принтера.
Но на этапе превращения максеновой пленки в реальное устройство возникают большие проблемы. Чтобы вырезать на максене сложнейший рисунок наноплаты, ученые используют стандартную фотолитографию с применением химических реактивов.
Но агрессивные химикаты могут размыть максены и испортить тончайший узор. Проверить состояние пленки под слоем реактива и при этом не повредить рисунок — очень трудно.
Международная группа исследователей решила эту проблему с помощью света. Работа опубликована в журнале Applied Physics Letters.
Ученые применили метод спектроскопической эллипсометрии: они превратили световой луч в бесконтактный «щуп». Прибор направляет поляризованный свет на максеновый чип и анализирует, как изменилась отраженная волна. Это позволяет мгновенно увидеть толщину, однородность и электрическую проводимость пленки в каждой точке, не повредив заготовку.
MXenes способны чрезвычайно эффективно накапливать и высвобождать электрическую энергию, что делает их перспективными для литий-ионных и твердотельных батарей следующего поколения.
Благодаря своей тонкости и гибкости, MXenes могут использоваться для питания носимых устройств, «умной» одежды или складной электроники. Это также делает MXenes идеальными для использования в суперконденсаторах — устройствах, которые обеспечивают быстрые импульсы энергии и заряжаются гораздо быстрее, чем обычные батареи.
Способность MXenes взаимодействовать со светом и проводить электричество также делает их полезными для солнечных элементов и фотоэлектрохимических систем, преобразующих солнечный свет в чистую энергию. В частности, MXenes могут улучшить производство водорода, выступая в качестве катализаторов в реакциях расщепления воды.
Поскольку MXены способны фильтровать тяжелые металлы и соли из воды, ученые изучают их применение в мембранах для опреснения воды и технологиях очистки окружающей среды . Исследователи также изучают MXены на предмет их потенциального использования в биосенсорах, системах доставки лекарств и медицинской диагностике.
«Эта работа предлагает план интеграции MXenes в реальные технологии, предоставляя возможность непосредственного изучения их внутренних свойств без влияния многослойных структур или примесей», — сказал профессор Ронен Рапапорт из Еврейского университета. «Усовершенствуя методы изучения этих материалов, мы прокладываем путь к их использованию в энергетических и оптоэлектронных устройствах».
По словам доктора Тристана Пети из Берлинского центра им. Гельмгольца , новая методика может иметь еще более широкое применение. «Это открывает новые области исследований, которые ранее были возможны только с помощью больших и дорогостоящих рентгеновских установок, — сказал он. — Теперь мы можем проводить аналогичную работу в обычной лаборатории, гораздо быстрее».
Как выразился доктор Пети: «Это убедительная демонстрация того, как сотрудничество и передовые достижения физики могут ускорить развитие материаловедения. MXenes — это только начало».
В будущем максенотроника позволит производить сверхбыстрые процессоры, гибкие дисплеи, вживляемые биосенсоры и тончайшие аккумуляторы, а оптический контроль сделает их производство массовым и надежным.
Перевод с английского
