?

Log in

No account? Create an account
поговорим

alexandr_palkin


МИРОСТРОИТЕЛЬСТВО

Будущее России рождается в каждом из нас


Previous Entry Поделиться Next Entry
Ученым НИЦ «Курчатовский институт» удалось создать двумерный материал для электроники будущего
Для Вас
alexandr_palkin

Открытие российских ученых повысит быстродействие компьютеров

В Курчатовском институте создали материал для электроники будущего*

Ученым НИЦ «Курчатовский институт» удалось создать двумерный материал, который можно использовать при разработке электронных устройств. Результаты проекта, выполненного при поддержке Российского научного фонда, опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications. Считается, что сегодняшнее развитие вычислительной техники подошло к физическому пределу, не позволяющему дальнейшего уменьшения размеров и увеличения быстродействия процессоров. Ключом к преодолению этого барьера, возможно, станет разработка российских ученых.


Известный закон микроэлектроники, сформулированный в 1965 году одним из основателей корпорации Intel Гордоном Муром, гласит: каждые два года количество транзисторов на единицу площади микросхемы будет удваиваться. Это означало экспоненциальный — стремительный — рост быстродействия компьютеров и объемов электронной памяти. Столь же драматически должны уменьшаться размеры электронных устройств и их цен


Последние 50 лет закон Мура выполнялся неукоснительно. Но сам же автор закона предупреждал, что этот «праздник» не может продолжаться вечно: рано или поздно миниатюризация упрется в непреодолимый барьер, воздвигнутый фундаментальными законами физики. Начиная со сверхмалых размеров элемента микросхемы — наноразмеров — проявятся квантовые эффекты, и транзисторы попросту не будут работать. Еще раньше проявится проблема скорости передачи данных от транзистора к транзистору: чем их больше, тем больше времени требуется на передачу и обработку информации в целом на микросхеме. Пределом здесь является сама скорость света, с которой передаются электрические сигналы. Другая фундаментальная проблема — необходимость отвода тепла, которого по мере возрастания числа электронных элементов на единицу площади микросхемы выделяется всё больше и больше.


И вот в прошлом году всё та же Intel, по сей день сохраняющая за собой статус флагмана электроники, объявила о кардинальной смене парадигмы.


— Для сохранения прогресса электроники нам придется через четыре-пять лет перейти на совершенно новые, принципиально иные технологии, — заявил руководитель технологического департамента Intel Уильям Холт.


Этих технологий еще нет, но Уильям Холт обозначил главное направление их поиска. Это так называемая спинтроника — электроника, основанная на квантовых свойствах электрона. Если современная электроника базируется на кремниевом транзисторе, способном находиться в одном из двух состояний — ноль или единица, — то в будущей спинтронике ноль и единица задаются так называемым спином электрона, его квантовым состоянием, которое в определенных условиях тоже может принимать ровно одно из двух значений.


Спинтроника сулит не только дальнейшее уменьшение размеров электронных приборов, но и невероятное снижение их энергопотребления: переворот спина электрона в отличие от переключения кремниевого транзистора практически не требует энергии. Поэтому приборы новой электроники почти не будут греться, и, соответственно, инженерам не придется заботиться о постоянном охлаждении.


Главная задача на этом пути — найти, создать такой спинтронный материал, который позволил бы безболезненно интегрировать новую технологию в существующую кремниевую электронику.

— В заводы по производству кремниевых микросхем по всему миру вложены сотни миллиардов долларов, и никто не готов отказаться от этих инвестиций, — рассказал «Известиям» руководитель лаборатории новых элементов наноэлектроники Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий доктор физико-математических наук, профессор Вячеслав Сторчак. — Спинтроника должна будет входить на рынок постепенно, долгое время сосуществуя со старыми технологиями и элементной базой.


Ученые Курчатовского института создали именно такой материал, который позволит интегрировать спинтронику с кремниевой технологией. Он относится к классу двумерных материалов. Созданный курчатовскими физиками уникальный материал представляет собой тончайшую пленку магнита толщиной от одного до нескольких атомных слоев, позволяющего выстроить спины электронов в одном направлении и реализовать на его основе спинтронную технологию.


По оценке Вячеслава Сторчака, переход электроники на спинтронные технологии займет около двадцати лет. Но уже сейчас можно полагать, что процесс уменьшения размеров электронных устройств и увеличения их быстродействия продолжится, несмотря на предстоящее столкновение с физическими барьерами.


Дмитрий Людмирский

Известия




*Из кремниевого аналога графена удалось создать двумерный магнит


Российские физики получили новый класс двумерных кремниевых магнитов – спинтронных материалов, которые могут лечь в основу прорывных технологий хранения и передачи информации. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Его результаты опубликованы в журнале Nature Communications.


В отличие от обычной электроники, спинтроника использует для хранения и передачи информации не только заряд электрона, но и его спин (одно из его квантовых свойств). Работа со спином может привести к созданию принципиально новых транзисторов, элементов компьютерной памяти, логических элементов.


«Перспектива создания ультракомпактной спинтроники – альтернативы современной электронике – обуславливает поиск магнетизма в низкоразмерных системах. Мы открыли целый класс двумерных магнитов – новых материалов спинтроники», – рассказал автор исследования, доктор физико-математических наук Вячеслав Сторчак.


Традиционная спинтроника использует обычные (то есть трехмерные) магнитные материалы, чтобы управлять спином электрона. В то же время перспектива создания ультракомпактной спинтроники придает значительный импульс исследованиям магнетизма в низкоразмерных системах. В последние годы наука значительно продвинулась в создании 2D-магнитов за счет внешних факторов, таких как дефекты или эффект близости. 2D-материалы с внутренне присущим им магнетизмом были неизвестны до недавнего открытия ферромагнетизма в нескольких монослоях Ван-дер-Ваальсовых кристаллов на основе хрома.


Для того, чтобы обнаружить магнетизм на таком уровне, ученые использовали оптические методы с исключительно высокой чувствительностью. После этого открытия ученые начали искать 2D-магниты с сильным ферромагнетизмом, который могут измерить стандартные магнетометры, с сопутствующими полезными свойствами. Особенно важно, что эти магниты совместимы с современной полупроводниковой технологией. Недавно российским физикам удалось открыть новый класс 2D-материалов с ферромагнитными свойствами на основе силицена.


Силицен – кремниевый аналог графена. Теоретически он должен быть идеальной платформой для спиновых явлений и приложений спинтроники. У графена и силицена атомы уложены в один слой шестиугольников, напоминающий пчелиные соты, но если у графена этот слой плоский, то шестиугольники силицена «гофрированные».


Монослой силицена сильно реагирует с окружающими материалами, поэтому экспериментировать с ним непросто. Физики разработали методику, позволяющую синтезировать слои силицена различной толщины, сопряженные с 2D-решетками редкоземельных элементов. Чередующиеся 2D-слои силицена и атомов редкоземельных металлов удалось синтезировать, используя молекулярно-лучевую эпитаксию – наращивание одного кристаллического монослоя поверх другого в сверхвысоком вакууме. Атомы металла направлялись на нагретую кремниевую поверхность. Чтобы в дальнейшем избежать взаимодействия силицена с воздухом, полученный материал защищали тонким слоем оксида кремния. Такой подход можно использовать и для синтеза монослоев других аналогов графена, например, германена, состоящего из атомов германия.

E32e7fff904143a0c0cee24d8946e8b0ac49f862
Схематическое представление экспериментов. Синтез силиценовых структур (a). В результате возникает многослойный (b) или однослойный (c) силицен. В зависимости от числа слоев происходит переход от объемного антиферромагнитного состояния (d) к ферромагнитному (e); температура ферромагнитного перехода имеет характерную зависимость от магнитного поля (e). В качестве атомов металла (M) можно использовать такие редкоземельные элементы, как гадолиний или европий.

Вячеслав Сторчак


Основной результат работы – открытие того, что слоистые структуры, образованные силиценом, сопряженным с 2D-решетками редкоземельных элементов, демонстрируют сильный 2D-ферромагнетизм в пределе одного или нескольких монослоев. В отличие от материалов на основе хрома, ферромагнетизм в силиценовых материалах возникает из антиферромагнетизма родительского 3D-соединения. Открытые редкоземельные магниты проявляют и другие отличительные черты: намного большую чувствительность температуры перехода к слабым магнитным полям (характерное свойство 2D-ферромагнетизма) и значительный магнитный момент, дающий возможность исследования с помощью обычных магнетометров.


«Открытие первого класса 2D-магнитов, совместимых с кремниевой технологией, может значительно повлиять на различные области науки и технологии, – подытожил Вячеслав Сторчак. – Опубликованные результаты могут служить новой платформой для исследования двумерных явлений в слоистых структурах. Это одно из очень немногих исследований силиценовых материалов, где удалось пойти дальше структурных исследований, и, возможно, первое, где удалось экспериментально продемонстрировать определяющую роль силиценовой решетки. Структура силиценовых магнитов замечательно подходит для создания различных гетероструктур на кремнии, что может найти применение в создании новых элементов электроники».



Источник