Согласно новому исследованию Венского технического университета (TU Wien), многие двумерные материалы, которые считались перспективными для создания компьютерных чипов нового поколения, могут не оправдать ожиданий в реальных устройствах. Проблема возникает при соединении этих сверхтонких материалов с изолирующими слоями, необходимыми для работы электроники, — между ними неизбежно образуется зазор атомарного масштаба. Этот крошечный разрыв существенно снижает производительность и создает фундаментальное препятствие для дальнейшей миниатюризации, спасая полупроводниковую индустрию от дорогостоящих ошибок.
Профессор Махди Пурфат, проводивший исследование с профессором Тибором Грассером из Института микроэлектроники TU Wien, отмечает, что ученые, увлекаясь свойствами 2D-материалов вроде графена, часто забывают о необходимом оксидном изолирующем слое. Этот слой усложняет материаловедение, ведь полное устройство должно работать как единое целое. Современные транзисторы работают за счет переключения полупроводника между проводящим и непроводящим состояниями, при этом затвор электрода отделен от активного материала изолятором.
Чтобы устройства оставались компактными и эффективными, изолирующий слой должен быть чрезвычайно тонким, но команда TU Wien обнаружила, что это создает серьезную атомарную проблему. Во многих комбинациях 2D-материалов и изоляторов связь между ними достаточно слабая и удерживается только силами Ван-дер-Ваальса — это слабые межмолекулярные взаимодействия, возникающие из-за временных флуктуаций зарядов между атомами или молекулами. В нанотехнологиях такие силы критичны, так как позволяют удерживать слои 2D-материалов вместе без химических связей, что дает возможность создавать гибкие, настраиваемые структуры. Однако в данном случае результат оказывается негативным: слои не соприкасаются плотно, и между ними остается постоянный зазор.
Этот зазор составляет всего около 0,14 нанометра — тоньше одного атома серы, но оказывает драматическое влияние на электронные свойства. Для сравнения: вирус SARS-CoV-2 примерно в 700 раз больше. Этот зазор ослабляет емкостную связь между слоями, ограничивая возможности миниатюризации таких устройств. По словам Грассера, зазор создает фундаментальное ограничение, какими бы хорошими ни были внутренние свойства 2D-материалов. Причем проблема слабого сцепления распространяется и на другие области применения — например, в гибкой электронике она может приводить к отслаиванию слоев в сенсорных дисплеях, в энергоэффективных аккумуляторах — к снижению проводимости ионов, а в фотонных устройствах, таких как солнечные батареи, такой зазор ухудшает поглощение света и перенос заряда.
Одно из возможных решений — использование «материалов-застежек», где полупроводник и изолирующий слой связываются гораздо сильнее. Такое плотное соединение устраняет проблемный зазор, заменяя слабые силы Ван-дер-Ваальса более прочными связями. «Наша работа — хорошая новость для полупроводниковой промышленности, — говорит Тибор Грассер. — Мы можем предсказать, какие материалы подходят для будущей миниатюризации, а какие — нет». Исследователи предупреждают, что сосредоточение только на 2D-материалах без учета неизбежных изолирующих слоев рискует потратить миллиарды на подход, который по фундаментальным физическим причинам просто не может сработать.
В подобных исследованиях часто рассматриваются такие материалы, как дисульфид молибдена (MoS₂) с прямой запрещенной зоной, полезный для транзисторов и оптоэлектроники, нитрид бора (h-BN) — изолятор с высокой теплопроводностью, и фосфорен — с высокой подвижностью носителей, но нестабильный на воздухе. По сравнению с графеном, который является проводником с отличной проводимостью, но нулевой запрещенной зоной, MoS₂ и фосфорен имеют запрещенные зоны 1,2–1,8 эВ, что делает их лучше для переключения в транзисторах, хотя они уступают в теплопроводности и механической прочности. Однако, как показало исследование, даже эти перспективные свойства могут оказаться бесполезными, если не решить проблему атомарного зазора между слоями.
Источник: The hidden atomic gap that could break next-generation computer chips