Znajdź zawartość

Amerykańscy uczeni udowodnili, że można dokonywać obliczeń za pomocą skrzyżowanych ze sobą nanokabli. Wystarczy ich odpowiednie połączenie, a otrzymamy prosty układ logiczny. Specjaliści z Universytetu Harvarda ułożyli na krzemowym podłożu 10-nanometrowej długości kable z germanu. Następnie pokryli je tlenkami metali i nałożyli nań w określonych miejscach kolejne kable, krzyżujące się z tymi poniżej. Dzięki podaniu wysokiego napięcia naukowcy mogli włączyć i wyłączyć poszczególne miejsca przecięcia się kabli, programując w ten sposób układ. Później użyli niższego napięcia, dzięki któremu niżej położone kable z germanu działały jak tranzystory. Stworzony w ten sposób chip składał się z 496 programowalnych tranzystorów umieszczonych na powierzchni 960 mikrometrów. Układ umożliwiał przeprowadzenie operacji dodawania i odejmowania. Twórcy nowej kości przyznają, że jest ona bardzo duża, a ich technika raczej nie pozwoli na dorównanie szybko rozwijającym się technologiom litograficznym. Podkreślają jednak, że ich metoda ma olbrzymią zaletę, gdyż tworzone w ten sposób układy mogą zużywać nawet 100-krotnie mniej energii niż konwencjonalne kości. Mogą zatem przydać się do tworzenia niewielkich robotów czy prostych urządzeń biomedycznych.

Dzięki współpracy Lawrence Berkeley National Laboratory oraz University of California, Berkeley, powstała nowa klasa materiałów zmiennofazowych. Tego typu materiały, dzięki możliwości zmiany faz pomiędzy stanem krystalicznym a amorficznym, świetnie nadają się do produkcji tanich, nieulotnych, energooszczędnych układów pamięci. Uczeni z Berkeley stworzyli nanokryształy ze stopów metalu i półprzewodnika. Nowy materiał nazwano BEAN od binary eutectic-alloy nanostructure (binarne nanostruktury eutektyczno-stopowe). Zmiana faz w BEAN, przełączanie ich pomiędzy stanami krystalicznym i amorficznym trwa nanosekundy i może być dokonana za pomocą prądu elektrycznego, lasera lub kombinacji obu tych metod. Nasze pierwsze BEAN stworzyliśmy ze stopu germanu i cyny. Byliśmy w stanie ustabilizować fazę krystaliczną i amorficzną oraz precyzyjnie dostroić kinetykę przełączania za pomocą prostej zmiany składu stopu - mówi Daryl Chrzan, jeden z twórców BEAN. Stop germanu i cyny został wybrany dlatego, że w temperaturze pokojowej może istnieć w dwóch stabilnych stanach - krystalicznym bądź amorficznym. Chrzan i współpracujący z nim Joel Ager oraz Eugene Haller wykazali, że nanokryształy stopu germanu i cyny umieszczone na amorficznym ditlenku krzemu tworzą nanostruktury, które są w połowie krystalicznym metalem i w połowie krystalicznym półprzewodnikiem. Szybkie schładzanie następujące po rozpuszczeniu stopu impulem lasera prowadzi do powstania metastabilnej, amorficznej fazy w temperaturze pokojowej. Natomiast umiarkowane rozgrzanie materiału i jego powolne stygnięcie oznaczało powrót do krystalicznej podwójnej struktury - informuje Chrzan. Ditlenek krzemu działa jak inteligentna i bardzo czysta próbówka, która więzi w sobie nanostruktury tak, że interfejs BEAN/ditlenek krzemu powoduje powstanie wyjątkowych właściwości zmiennofazowych - dodaje. Naukowcy nie zbadali jeszcze, jak odbywa się transport elektronów w materiale BEAN. Spodziewamy się, że w stanie amorficznym BEAN będzie wykazywało normalne, charakterystyczne dla metali przewodnictwo. W stanie podwójnym, BEAN będzie zawierał jedną lub więcej barier Schottky'ego, które mogą działać jak diody. Na potrzeby przechowywania danych, przewodzący stan metaliczny może oznaczać zero, a bariera Schottky'ego - jeden - wyjaśnia Chrzan. Teraz naukowiec i jego koledzy badają, czy BEAN może wytrzymać wielokrotne przełączanie pomiędzy stanami oraz czy może zostać zaimplementowany w układzie scalonym. Chcą też utworzyć model przepływu energii w systemie i na jego podstawie opracować optymalną metodę wysyłania impulsów elektrycznych i/lub świetlnych, w celu jak najlepszego wykorzystania właściwości zmiennofazowych.

Naukowcy z MIT-u zaprezentowali pierwszy laser z germanu, który generuje fale światła o długości przydatnej w komunikacji. To jednocześnie pierwszy laser germanowy działający w temperaturze pokojowej. German, w przeciwieństwie do wielu innych materiałów, może być łatwo wykorzystany we współczesnym przemyśle półprzewodnikowym. Ponadto, co niezwykle ważne, skonstruowanie wspomnianego lasera dowodzi, że, wbrew wcześniejszym przewidywaniom, półprzewodniki z pośrednim pasmem wzbronionym mogą posłużyć do produkcji laserów. To niezwykle ważny krok w kierunku budowy komputerów przesyłających dane, a niewykluczone że i dokonujących obliczeń, za pomocą światła w miejsce elektryczności. Rosnąca wydajność obliczeniowa układów scalonych oznacza, że pomiędzy poszczególnymi komponentami komputera trzeba przesyłać coraz więcej danych. Wykorzystywanie do tego celu prądu elektrycznego ma tę wadę, że im szybciej chcemy przesłać informacje, tym więcej energii musimy zużyć. Znacznie bardziej wydajną metodą jest użycie światła, jednak tutaj pojawia się konieczność opracowania taniego sposobu integracji podzespołów optycznych i elektronicznych w jednym układzie scalonym. Wprowadzenie każdego nowego rodzaju podzespołów do układu scalonego to poważne wyzwanie. Trzeba bowiem znaleźć taki materiał, który pozwala na wyprodukowanie pożądanego podzespołu o potrzebnych właściwościach, a który jednocześnie dobrze wiąże się chemicznie z warstwami układu scalonego znajdującymi się pod nim i nad nim. Ponadto proces nakładania nowego podzespołu musi odbywać się w temperaturach i środowisku chemicznym odpowiednich dla innych materiałów tworzących układ scalony. Wiele takich materiałów źle "współpracuje" z krzemem, dlatego np. proces umieszczania w chipie laserów z arsenku galu jest bardzo skomplikowany i kosztowny. Tymczasem techniki pracy z germanem są dobrze poznane, znacznie prostsze i tańsze. German wykorzystywany jest od lat przez większość producentów półprzewodników. Służy on do produkcji rozciągniętego krzemu, w którym elektrony poruszają się szybciej, niż w zwykłym krzemie. We współczesnej elektronice wykorzystywane są takie półprzewodniki jak krzem, german czy arsenek galu. Ten ostatni jest materiałem o bezpośrednim paśmie wzbronionym. W środowisku naukowym krążyła opinia, że materiały z pośrednim pasmem wzbronionym nigdy nie wygenerują światła laserowego - mówi Jurgen Michel z Electronic Materials Research Group, który brał udział w opracowaniu germanowego lasera. Tego uczą w szkole - wtóruje mu profesor Lionel Kimerling, szef grupy badawczej. Dzieje się tak dlatego, gdyż w półprzewodniku elektron znajdujący się w paśmie przewodzenia może przyjąć jeden z dwóch stanów. W jednym z nich uwalnia energię w postaci fotonu, w drugim - w inny sposób, np. w postaci ciepła. W materiałach o bezpośrednim paśmie wzbronionym stan, w którym emitowany jest foton, jest niższym stanem energetycznym. W półprzewodnikach o paśmie pośrednim, niższym stanem jest drugi z nich. Tak więc w sposób naturalny elektron emituje foton tylko w półprzewodnikach o paśmie bezpośrednim. Naukowcom z MIT-u udało się jednak zmusić elektrony germanu do przejścia w wyższy, emitujący fotony, stan energetyczny. Jedna z metod to wzbogacenie kryształu germanu o fosfor, który posiada pięć zewnętrznych elektronów, podczas gdy german ma ich cztery. Każdy atom fosforu daje zatem jeden dodatkowy elektron, który wypełnia niższy stan energetyczny powodując, że pobudzone elektrony germanu pozostają w stanie wyższym i emitują foton. Z wyliczeń uczonych wynika, że optymalny poziom domieszkowania germanu wynosi 1020 atomów fosforu na każdy centymetr sześcienny germanu. Obecnie udało im się opracować technologię, pozwalającą na domieszkowanie na poziomie 1019 i już zaobserwowano emisję światła laserowego. Drugim sposobem na zmuszenie elektronów germanu do przyjęcia wyższego stanu energetycznego jest zmniejszenie różnicy pomiędzy stanem wyższym a niższym, co zwiększa prawdopodobieństwo, iż elektrony znajdą się w wyższym stanie. Aby tego dokonać, uczeni rozciągnęli german umieszczając go w podwyższonej temperaturze na krzemie. Po schłodzeniu krzem nie skurczył się, a stygnące atomy germanu, próbując dopasować się do atomów krzemu, nieco zwiększyły odległości pomiędzy sobą. Odpowiednio manipulując kątem i odległościami wiązań atomowych, uczeni byli w stanie zmienić wartości poziomów energetycznych. Przy okazji, jak pochwalił się Kimerling, jego zespół wynalazł technikę umieszczania germanu na krzemie i kontrolowania całego procesu.

Grupa naukowców z UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, Purdue University i IBM-a wyhodowała krzemowo-germanowe nanokable, które mogą trafić do tranzystorów przyszłej generacji. Jesteśmy podekscytowani z dwóch powodów. Po pierwsze, poszerzyliśmy naszą wiedzę dotyczącą fizycznych podstaw wzrostu nanokabli. Po drugie, ulepszyliśmy je na tyle, że mogą być używane w wysoko wydajnych urządzeniach elektronicznych - mówi Frances Ross z IBM-a. Naukowcy udowodnili, że są w stanie hodować wolne od defektów nanokable z różnych materiałów. Przede wszystkim zaś skupili się na krzemie i germanie. Co niezmiernie ważne, precyzję zakończeń ich nanokabli można wyrazić w skali atomowej. To o tyle istotne, że od jakości połączeń zależy wydajność tranzystora. Im "ostrzejsze" końcówki nanokabli - a w tym przypadku mają one wielkość pojedynczego atomu - tym lepsze właściwości elektryczne budowanego z nich urządzenia. Uzyskanie tak precyzyjnych zakończeń to najważniejsze osiągnięcie wspomnianego zespołu naukowców. Nanostruktury krzemowo-germanowe mają i tę zaletę, że zamieniają energię cieplną w elektryczną. Ta właściwość jest wykorzystywana przez NASA do zasilania satelitów, a coraz częściej myśli się o wykorzystaniu jej w przemyśle samochodowym. Nowe nanokable, dzięki swojej niezwykłej precyzji, będą idealnie nadawały się do podobnych zadań. Uczeni, by uzyskać idealne nanokable krzemowo-germanowe, podgrzali cząsteczki stopu złota z aluminium do temperatury powyżej 370 stopni Celsjusza i stopili je w komorze próżniowej. Następnie wprowadzili do niej gaz zawierający krzem, który spowodował wzrost nanokabli krzemowych. Podobny proces zaszedł po wpuszczeniu do komory gazu z germanem. Podstawową trudnością było uzyskanie naprawdę ostrych połączeń pomiędzy kablami z krzemu i germanu. Uzyskano je dzięki schłodzeniu gazu z krzemem, co pozwoliło na usunięcie nadmiaru materiału z nanokabli, na których następnie zaczęły rosnąć nanokable germanowe. Uczeni skupią się teraz nad hodowaniem nanokabli na znacznie większych powierzchniach niż dotychczas.

Uczonym z Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) udało się, po raz pierwszy w historii, zmusić german do wykazania właściwości nadprzewodnika. Większość substancji chemicznych staje się nadprzewodnikami w bardzo niskich temperaturach lub pod bardzo wysokim ciśnieniem. Dotychczas jednak najczęściej używane w elektronice materiały - miedź, srebro, złoto czy german - nie wykazywały właściwości nadprzewodzących. Dlatego też badania niemieckich uczonych są tak istotne. Pozwolą bowiem zrozumieć, w jaki sposób z półprzewodnika można uczynić nadprzewodnik. Czyste półprzewodniki, takie jak krzem czy german, w niskich temperaturach niemal nie przewodzą prądu. Czynią to dopiero po wzbogaceniu atomami innych pierwiastków. Jednak by uzyskać nadprzewodnik z półprzewodnika konieczne jest wzbogacenie go olbrzymią liczbą obcych atomów, często większą, niż półprzewodnik jest w stanie przyjąć. Specjaliści z FZD wzbogacili german niemal sześcioma procentami galu. Na każde sto atomów germanu przypadało zatem prawie sześć galu. Udowodnili następnie, że warstwa germanu o grubości zaledwie 60 nanometrów może stać się nadprzewodnikiem. Jednak sam proces wzbogacania nie był łatwy. Jako że wprowadzanie obcych jonów mocno niszczyło powłokę germanu, należało ją następnie naprawić. W tym celu na FZD skonstruowano specjalną lampę, która na kilka milisekund mocno ogrzewała uszkodzone fragmenty kryształu, prowadząc do naprawienia się uszkodzeń. Wzbogacony german wykazywał właściwości nadprzewodzące w temperaturze 0,5 Kelvina. Uczeni twierdzą, że zmieniając różne parametry podczas wprowadzania jonów i wyżarzania lampą, będą w stanie podnieść tę temperaturę. Prace nad germanem dopiero się zaczynają. Co prawda był on tym materiałem, z którego budowano pierwsze tranzystory, jednak szybko został porzucony na rzecz krzemu. Obecnie wraz z postępem miniaturyzacji zbliżamy się do granicy, poza którą krzem, ze względu na swoje fizyczne właściwości, będzie ograniczał rozwój elektroniki. Stąd renesans germanu, który pozwoli na budowanie szybszych układów scalonych. Stąd też badania nad nadprzewodnictwem germanu. Niemcy nie są pierwszymi, którzy próbują stworzyć nadprzewodzące półprzewodniki. Przed dwoma laty naukowcy z Francji wzbogacili krzem borem uzyskując w ten sposób nadprzewodnik.