Физики нашли способ преодолеть закон квантового туннелирования

Чип с транзистором, к которому подходит углеродная нанотрубка диаметром 1 нанометр. Иллюстрация Physorg

Самолет и ракета взмывают в небо, преодолевая закон тяготения, но не нарушая его. Так и сотрудникам Национальной лаборатории в Беркли (пригород Сан-Франциско) и Станфордского университета с помощью углеродных нанотрубок удалось преодолеть один из законов квантовой физики относительно чипов с транзисторами.

Чип в переводе с английского означает «щепка», то есть нечто плоское и тонкое (chipped и chopped означают «нечто разделанное или нарезанное, например колбасные кружки или отбивные», а chopper – «легкий вертолет»). Кремниевый чип объединяет в себе подложку для наносимых на нее слоев логической схемы и в то же время полупроводниковый материал, без которого трудно представить себе трансрезистор, или «гуляющее», перемещающееся сопротивление.

Электрическую схему транзистора изображают в виде буквы Y, в вершине которой слева находится эмиттер-испускатель электронов и/или положительно заряженных «дырок». Против него располагается дренажный коллектор, «собирающий» то, что приходит на него в результате «пробоя» полупроводника. Внизу, или в базе, открыты или закрыты «ворота» (gate), размер которых, исходя из законов квантовой механики, не может быть менее 5 нм. В противном случае транзистор начинает «протекать», что крайне нежелательно.

Помимо многих других ограничений «вратный» лимит вот уже более десятилетия ограничивает дальнейшую миниатюризацию чиповых схем. В результате мы являемся свидетелями некоторого стопорения дальнейшего прогресса микроэлектроники, которая давно уже вроде готова стать наноэлектроникой.

Нобелевская премия 2016 года по физике была вручена трем ученым, которые разработали весьма ценную для практики теорию топологических переходов в монослойных пленках. Речь идет о монослоях материалов, например широко используемого в качестве добавки к моторным маслам дисульфида молибдена (MoS2). Толщина таких монослоев сравнима с таковой у биологических мембран. Можно добавить, что свойства MoS2 активно исследуются с целью создания на его основе новых лазеров, светодиодов (LED), солнечных батарей и нанотранзисторов.

Проблема, однако, в том, что даже использование подобного рода пленок не позволяет сделать базовые ворота тоньше 20 нм. Этим обусловлены возможности рынка. Для сравнения можно напомнить, что волос человека имеет толщину 50 тыс. нм. В Беркли и Станфорде для решения проблемы решили использовать однослойные нанотрубки (SWCN – Single-Walled Carbon Nanotubes), которые позволили уменьшить сечение ворот до 1 нм!

Известно, что транзистор работает как переключатель. При этом электроны «текут» сквозь кремний быстрее, нежели через дисульфид молибдена. До сих пор прочность ворот ограничивается квантовым законом туннелирования – возникновения туннеля, по которому электроны напрямую «протекают» от эмиттера к коллектору. Квантовое туннелирование, как известно, лежит в основе работы сканирующего туннельного микроскопа. 

Решение проблемы – в уменьшении размера ворот, но сделать это никому не удавалось. При толщине монослоя MoS2 всего лишь 0,65 нм материал может эффективно сохранять электрическое поле. Но современная литографическая технология создания электроники плохо справляется с подобного рода масштабами. Вот почему нанотехнологи обратили свои взоры к углеродным нанотрубкам, не требующим напыления и «печати» для своего производства. Вместе с тем они весьма эффективно контролируют ток электронов в молибденовом полупроводнике. Теперь остается только разработать новые «сборочные» линии по производству микросхем нового масштаба.

Возможно, что транзисторы на основе полупроводникового MoS2 станут конкурировать с алмазными нанонитями, о получении которых было впервые сообщено в мае 2015 года. Они названы так потому, что атомы углерода в них упакованы, как в алмазе, поэтому их технологический потенциал вполне сравним с углеродными нанотрубками. Алмазные нанотрубки имеют в своей структуре шестигранные «окна» (как бензольные кольца), называемые вакансиями, или дефектами. В них могут прятаться атомы водорода. Особенностью нанонитей является то, что они могут давать связи с молекулами полимеров. Это может быть использовано для создания устройств, требующих повышенной теплопроводности (отведения избыточного тепла), вариабельности механических свойств и т.д.

Преимуществом алмазных нитей является и то, что их создают путем механической компрессии бензольных колец. Можно только представить себе те перспективы, которые сулит нанометровая электроника нового поколения и молекулярных масштабов.