Уникальная микроэлектроника из угля

Совместные исследовательские усилия Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, Национальной лаборатории энергетических технологий и Тайваньской компании по производству полупроводников показали, что уголь может играть жизненно важную роль в электронных устройствах следующего поколения.

«Об углем обычно думают как о чем-то грязном, но методы переработки, которые мы разработали, могут превратить его в материалы высокой чистоты толщиной всего в пару атомов», — сказал Цин Цао ,профессор и соруководитель лаборации. «Его уникальные атомные структуры и свойства идеально подходят для создания самой маленькой электроники с минимальными затратами энергии».

Процесс, разработанный NETL, сначала превращает уголь в наноразмерные углеродные диски, называемые «углеродными точками», которые, как продемонстрировала исследовательская группа Университета штата Иллинойс, можно использовать для формирования атомарно тонких мембран для применения как в двумерных транзисторах, так и в мемристорах, технологиях, которые будет иметь решающее значение для создания более совершенной электроники. 

Компания "Дыши Комфортно" специализируется на установке фанкойлов в Москве и Московской области. Монтаж фанкойлов выполняется качественно и профессионально специализированной организацией. Интернет-магазин "Дыши Комфортно" предлагает не только климатическую технику для дома и квартиры, но также инженерное климатическое оборудование.

Идеально подходит для 2D-электроники

В продолжающемся поиске меньшей, быстрой и более эффективной электроники последним шагом станут устройства, изготовленные из материалов толщиной всего в один или два атома. Устройства не могут быть меньше этого предела, а их небольшой размер часто позволяет им работать намного быстрее и потреблять гораздо меньше энергии. Хотя  сверхтонкие полупроводники широко изучены, также необходимо иметь атомарно тонкие изоляторы – материалы, которые блокируют электрические токи – для создания работающих электронных устройств, таких как транзисторы и мемристоры .

Атомно тонкие слои углерода с неупорядоченной атомной структурой могут служить отличным изолятором для создания двумерных устройств. Исследователи показали, что такие углеродные слои могут быть сформированы из углеродных точек, полученных из угля. Чтобы продемонстрировать свои возможности, группа под руководством Цао разработала два примера двумерных устройств.

«Это действительно очень интересно, потому что впервые уголь, который мы обычно считаем низкотехнологичным, напрямую связан с передовыми разработками в области микроэлектроники», — сказал Цао.

Диэлектрик транзистора

Группа Цао использовала углеродные слои, полученные из угля, в качестве диэлектрика затвора в двумерных транзисторах, построенных на полуметаллическом графене или полупроводнике дисульфиде молибдена, чтобы обеспечить более чем в два раза большую скорость работы устройства при меньшем потреблении энергии. Как и другие атомарно тонкие материалы, углеродные слои, полученные из угля, не обладают «оборванными связями» или электронами, которые не связаны химической связью. Эти участки, которых много на поверхности обычных трехмерных изоляторов, изменяют их электрические свойства, эффективно действуя как «ловушки», замедляя транспорт мобильных зарядов и, следовательно, скорость переключения транзистора.

Однако, в отличие от других атомно-тонких материалов, новые углеродные слои, полученные из угля, аморфны, то есть не обладают регулярной кристаллической структурой. Поэтому у них нет границ между различными кристаллическими областями, которые служат путями проводимости, приводящими к «утечке», когда нежелательные электрические токи протекают через изолятор и вызывают существенное дополнительное потребление энергии во время работы устройства.

Мемристорная нить

Еще одно применение  , которое рассматривала группа Цао,мемристоры — электронные компоненты, способные как хранить данные, так и работать с ними, что значительно улучшает реализацию технологии искусственного интеллекта. Эти устройства хранят и представляют данные путем модуляции проводящей нити, образованной в результате электрохимических реакций между парой электродов с изолятором, расположенным между ними.

Исследователи обнаружили, что использование ультратонких слоев углерода, полученных из угля, в качестве изолятора позволяет быстро формировать такую нить с низким энергопотреблением, что обеспечивает высокую скорость работы устройства при малой мощности. Более того, кольца атомного размера в этих углеродных слоях, полученных из угля, ограничивают нить, улучшая воспроизводимость операций устройства и повышая точность и надежность хранения данных.

От исследований к производству

Новые устройства, разработанные группой Цao, служат доказательством принципа использования слоев углерода, полученных из угля, в двумерных устройствах. Осталось показать, что такие устройства можно производить в больших масштабах.

«Полупроводниковая промышленность, включая наших сотрудников из компании Taiwan Semiconductor, очень заинтересована в возможностях двумерных устройств, и мы пытаемся выполнить это обещание», — сказал Цао. «В течение следующих нескольких лет Университет штата Иллинойс продолжит сотрудничать с NETL в разработке процесса изготовления углеродных изоляторов на основе угля, который можно будет реализовать в промышленных условиях».