_ Umbrela pentru atomi: primul strat de protecție pentru materialele cuantice 2D

Pe măsură ce cipurile de computer pe bază de siliciu se apropie de limitările lor fizice în căutarea unor modele mai rapide și mai mici, căutarea de materiale alternative care rămân funcționale la scară atomică este una dintre cele mai mari provocări ale științei.

Într-o dezvoltare revoluționară, cercetătorii de la Clusterul de excelență Würzburg-Dresda au conceput o peliculă de protecție care protejează straturile semiconductoare cuantice cu grosimea de doar un atom de influențele mediului, fără a compromite proprietățile lor cuantice revoluționare. Acest lucru pune aplicarea acestor straturi atomice delicate în componente electronice ultrasubțiri la îndemână realistă. Descoperirile au fost publicate în Nature Communications.

Cursa pentru a crea cipuri de computer din ce în ce mai rapide și mai puternice continuă pe măsură ce tranzistorii, componentele lor fundamentale, se micșorează la dimensiuni din ce în ce mai mici și mai compacte. În câțiva ani, acești tranzistori vor măsura doar câțiva atomi în diametru – moment în care, miniaturizarea tehnologiei de siliciu utilizată în prezent va fi atins limitele sale fizice. În consecință, căutarea materialelor alternative cu proprietăți complet noi este crucială pentru viitoarele progrese tehnologice.

În 2021, oamenii de știință de la Cluster of Excellence ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter de la universitățile JMU Würzburg și TU Dresda a făcut o descoperire semnificativă: materiale cuantice topologice, cum ar fi indenena, care sunt foarte promițătoare pentru electronice ultrarapide și eficiente din punct de vedere energetic. Semiconductorii cuantici extrem de subțiri rezultați sunt alcătuiți dintr-un singur strat de atom - în cazul indenenului, atomi de indi - și acționează ca izolatori topologici, conducând electricitatea practic fără rezistență de-a lungul marginilor lor.

„Producerea unui astfel de atom unic. stratul necesită echipamente de vid sofisticate și un material de substrat specific. Pentru a utiliza acest material bidimensional în componentele electronice, ar trebui să fie îndepărtat din mediul de vid. Cu toate acestea, expunerea la aer, chiar și pentru scurt timp, duce la oxidare, distrugându-i proprietățile revoluționare și făcându-l inutil”, explică fizicianul experimental, profesorul Ralph Claessen, purtătorul de cuvânt al ct.qmat la Würzburg.

„Ne-am dedicat doi ani găsirii unei metode care să protejeze stratul sensibil de indenen de elementele de mediu folosind un strat protector. provocarea a fost asigurarea faptului că această acoperire nu a interacționat cu stratul de indenen”, explică Cedric Schmitt, unul dintre doctoranzii de la Claessen implicați în proiect.

Această interacțiune este problematică, deoarece atunci când diferite tipuri de atomi — de la cei de protecție. stratul și semiconductorul, de exemplu, se întâlnesc, reacționează chimic la nivel atomic, schimbând materialul. Aceasta nu este o problemă cu cipurile convenționale de siliciu, care cuprind mai multe straturi atomice, lăsând suficiente straturi neafectate și, prin urmare, încă funcționale.

„Un material semiconductor constând dintr-un singur strat atomic, cum ar fi indenenul, ar fi în mod normal compromis. de o peliculă de protecție. Aceasta a reprezentat o provocare aparent insurmontabilă care a stârnit curiozitatea noastră de cercetare", spune Claessen. Căutarea unui strat protector viabil i-a determinat să exploreze materialele van der Waals, numite după fizicianul olandez Johannes Diderik van der Waals (1837–1923).

Claessen explică: „Acești van der Waals bidimensionali. straturile atomice sunt caracterizate de legături interne puternice între atomii lor, în timp ce se leagă slab de substrat. Acest concept este asemănător cu felul în care plumbul din grafit - o formă de carbon cu atomi dispuși în straturi de fagure - scrie pe hârtie. Straturile de grafenul poate fi ușor separat. Ne-am propus să reproducem această caracteristică.”

Folosind echipamente sofisticate de vid ultraînalt, echipa de la Würzburg a experimentat încălzirea carburei de siliciu (SiC) ca substrat pentru indenen, explorând condițiile necesare pentru a forma grafen din aceasta. "Carbura de siliciu este formată din siliciu și atomi de carbon. Încălzirea face ca atomii de carbon să se desprindă de la suprafață și să formeze grafen", spune Schmitt. „Apoi am depus atomi de indiu în vapori, care sunt cufundați între stratul protector de grafen și substratul de carbură de siliciu. Acesta este modul în care s-a format stratul protector pentru materialul nostru cuantic bidimensional indenen.”

Pentru Prima dată la nivel global, Claessen și echipa sa de la filiala ct.qmat din Würzburg au creat cu succes un strat de protecție funcțional pentru un material semiconductor cuantic bidimensional, fără a compromite proprietățile sale cuantice extraordinare. După ce au analizat procesul de fabricație, au testat temeinic capacitățile de protecție ale stratului împotriva oxidării și coroziunii. "Funcționează! Eșantionul poate fi chiar expus la apă fără a fi afectat în vreun fel", spune Claessen încântat. „Stratul de grafen acționează ca o umbrelă pentru indenenul nostru.”

Această descoperire deschide calea pentru aplicații care implică straturi atomice semiconductoare foarte sensibile. Fabricarea componentelor electronice ultrasubțiri necesită ca acestea să fie procesate în aer sau în alte medii chimice. Acest lucru a fost posibil datorită descoperirii acestui mecanism de protecție.

Echipa din Würzburg se concentrează acum pe identificarea mai multor materiale van der Waals care pot servi drept straturi de protecție – și au deja câteva perspective în minte. Problema este că, în ciuda protecției eficiente a grafenului a monostraturilor atomice împotriva factorilor de mediu, conductivitatea sa electrică prezintă un risc de scurtcircuite. Oamenii de știință de la Würzburg lucrează la depășirea acestor provocări și la crearea condițiilor pentru electronica stratului atomic de mâine.

(Fluierul)