Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Udało się znaleźć półprzewodnik idealny?

Recommended Posts

Krzem, jeden z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na Ziemi, stanowi podstawę nowoczesnego świata. Bez niego nie mielibyśmy ani paneli fotowoltaicznych ani układów scalonych. Jednak właściwości krzemu jako półprzewodnika są dalekie od ideału. Elektrony w krzemie mogą przemieszczać się z dużymi prędkościami, ale tego samego nie można już powiedzieć o dziurach, towarzyszkach elektronów. Ponadto krzem słabo przewodzi ciepło, przez co konieczne jest stosowanie kosztownych systemów chłodzenia.

Badacze z MIT, Uniwersytetu w Houston i innych instytucji wykazali właśnie, że krystaliczny sześcienny arsenek boru jest pozbawiony tych wad. Zapewnia dużą mobilność elektronom i dziurom oraz charakteryzuje się świetnym przewodnictwem cieplnym. Badacze twierdzą, że to najlepszy ze znanych nam półprzewodników, a może i najlepszy z możliwych półprzewodników.

Dotychczas jednak arsenek boru był wytwarzany i testowany w niewielkich ilościach wytwarzanych na potrzeby badań naukowych. Takie próbki były niejednorodne. Opracowanie metod ekonomicznej produkcji tego związku na skalę przemysłową będzie wymagało dużo pracy.

Już w 2018 roku David Broido, który jest współautorem najnowszych badań, teoretycznie przewidział, że arsenek boru powinien charakteryzować się świetnym przewodnictwem cieplnym. Później przewidywania te zostały dowiedzione eksperymentalnie. Wykazano m.in., że chłodzi on układy scalone lepiej niż diament. Okazało się równie, że materiał ten ma bardzo dobre pasmo wzbronione, którego istnienie jest niezbędną cechą półprzewodnika. Obecne badania dodały zaś do tego obrazu możliwość szybkiego transportu elektronów i dziur, zatem arsenek boru wydaje się mieć wszystkie cechy półprzewodnika idealnego.
To bardzo ważna cecha, gdyż w półprzewodnikach mamy jednocześnie ładunki dodatnie i ujemne. Jeśli więc budujemy z nich urządzenie elektroniczne, chcemy, by zarówno elektrony jak i dziury napotykały jak najmniejszy opór, mówi profesor Gang Chen z MIT.

Krzem i inne półprzewodniki, jak np. używany do budowy laserów arsenek galu, charakteryzuje się dobrą mobilnością elektronów, ale nie dziur. Poważnym problemem jest też rozpraszanie ciepła. Ciepło to poważny problem w elektronice. W samochodach elektrycznych stosuje się z tego powodu węglik krzemu. Ma on co prawda mniejszą mobilność elektronów niż krzem, ale za to jego przewodnictwo cieplne jest 3-krotnie lepsze. Wyobraźmy sobie więc, co moglibyśmy osiągnąć stosując arsenek boru, który ma 10-krotnie lepsze przewodnictwo cieplne i większość mobilność dziur oraz elektronów niż krzem. To by wszystko zmieniło, dodaje doktor Jungwoo Shin z MIT.

Wyzwaniem jest obecnie opracowanie metod produkcji arsenku boru w ilościach, które można by praktycznie wykorzystać. Obecne metody produkcyjne pozwalają na uzyskanie bardzo niejednorodnego materiału, z którego naukowcy wydzielają niewielkie jak najbardziej jednorodne fragmenty, by badać je w laboratoriach.

Wiele wskazuje na to, że arsenek boru jest półprzewodnikiem (niemal) idealnym, ale nie wiemy, czy będziemy w stanie go wykorzystać, dodaje Chen. Krzem stanowi podstawę całego przemysłu półprzewodnikowego, zatem od opracowania metod masowej produkcji jednorodnego arsenku boru zależy, czy trafi on pod strzechy. Badania nad krzemem trwały całe dziesięciolecia, zanim dowiedzieliśmy się, jak uzyskiwać ten materiał o czystości dochodzącej do 99,99999999%. Arsenek boru ma jeszcze przed nami wiele tajemnic. Zanim wyprodukujemy z niego elektronikę musimy np. poznać jego długookresową stabilność.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites
Posted (edited)

Arsenek boru zwany borazonem (przynajmniej jedna z odmian). Twardy prawie jak diament ale bardziej odporny na chemię, temperaturę itd. Dawniej pamiętam że myślano że jest twardszy od diamentu.

Edited by thikim

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Grupa japońskich naukowców z Kyoto University wykorzystała eksplozje do wyprodukowania... najmniejszych diamentowych termometrów, które można będzie wykorzystać do bezpiecznych pomiarów różnic temperatury w pojedynczej żywej komórce.
      Gdy w sieci krystalicznej diamentu dwa sąsiadujące atomy węgla zostaną zastąpione pojedynczym atomem krzemu, pojawia się optycznie aktywne miejsce, zwane centrum krzem-wakancja (silicon-vacancy center, SiV). Od niedawna wiemy, że takie miejsca są obiecującym narzędziem do pomiaru temperatur w skali nanometrów. Atom krzemu, gdy zostanie wzbudzony laserem, zaczyna jasno świecić w wąskim zakresie światła widzialnego lub bliskiej podczerwieni, a kolor tego światła zmienia się liniowo w zależności od temperatury otoczenia diamentu.
      Zjawisko to jest bezpieczne dla żywych organizmów, nawet dla bardzo delikatnych struktur. To zaś oznacza, że można je wykorzystać podczas bardzo złożonych badań nad strukturami biologicznymi, np. podczas badania procesów biochemicznych wewnątrz komórki. Problem stanowi jednak sam rozmiar nanodiamentów. Uzyskuje się je obecnie różnymi technikami, w tym za pomocą osadzania z fazy gazowej, jednak dotychczas potrafiliśmy uzyskać nanodiamenty o wielkości około 200 nm. Są one na tyle duże, że mogą uszkadzać struktury wewnątrzkomórkowe.
      Norikazu Mizuochi i jego zespół opracowali technikę pozyskiwania 10-krotnie mniejszych niż dotychczas nanodiamentów SiV. Japońscy naukowcy najpierw wymieszali krzem ze starannie dobraną mieszaniną materiałów wybuchowych. Następnie, w atmosferze wypełnionej CO2, dokonali eksplozji. Później zaś przystąpili do wieloetapowej pracy z materiałem, który pozostał po eksplozji. Najpierw za pomocą kwasu usunęli sadzę i metaliczne zanieczyszczenia, następnie rozcieńczyli i wypłukali uzyskany materiał w wodzie dejonizowanej, w końcu zaś pokryli uzyskane nanodiamenty biokompatybilnym polimerem. Na końcu za pomocą wirówki usunęli wszystkie większe nanodiamenty. W ten sposób uzyskali jednorodny zbiór sferycznych nanodiamentów SiV o średniej średnicy 20 nm. To najmniejsze wyprodukowane nanodiamenty SiV.
      Mizouchi wraz z kolegami przeprowadzili serię eksperymentów, podczas których wykazali, że ich nanodiamenty pozwalają na precyzyjne pomiary temperatury w zakresie od 22 do 40,5 stopnia Celsjusza. Zakres ten obejmuje temperatury wewnątrz większości organizmów żywych. To zaś otwiera nowe możliwości badań struktur wewnątrzkomórkowych. Japończycy zapowiadają, że rozpoczynają prace nad zwiększeniem liczby SiV w pojedynczym nanodiamencie, co ma pozwolić na uzyskanie jeszcze większej precyzji pomiaru. Dzięki temu – mają nadzieję – w przyszłości można będzie badać poszczególne organelle.
      Szczegóły badań zostały opisane na łamach Carbon.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Najnowszy numer Nature przynosi przełomowe informacje na temat praktycznego wykorzystania komputerów kwantowych. Naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW) wykazali, że możliwe jest stworzenie niemal wolnego od błędów krzemowego procesora kwantowego. Dzisiejsza publikacja pokazuje, że obliczenia przeprowadzane przez nasz procesor były w ponad 99% wolne od błędów. Gdy odsetek błędów jest tak mały, możliwym staje się ich wykrywanie i korygowanie w czasie rzeczywistym. A to oznacza, że można wybudować skalowalny komputer kwantowy wykonujący wiarygodne obliczenia, wyjaśnia profesor Andrea Morello z UNSW.
      Morello stoi na czele zespołu złożonego z naukowców z Australii, USA, Japonii i Egiptu. Ich celem jest zbudowanie uniwersalnego komputera kwantowego, czyli maszyny, której możliwości obliczeniowe nie będą ograniczone do jednego rodzaju zadań. Badania, których wyniki właśnie opublikowaliśmy, to bardzo ważny krok w tym kierunku, podkreśla uczony.
      Jednak, co niezwykle ważne, artykuł Morello i jego zespołu to jeden z trzech tekstów z Nature, których autorzy informują o niezależnym od siebie osiągnięciu niskiego odsetka błędów w opartych na krzemie procesorach kwantowych.
      Z najnowszego Nature, którego redakcja zdecydowała się na zilustrowanie kwantowego przełomu na okładce, dowiadujemy się, że wiarygodność operacji obliczeniowych na jednym kubicie osiągnięta przez Morello i jego zespół wyniosła 99,95%, a operacji na dwóch kubitach – 99,37%. Niezależnie od nich zespół z holenderskiego Uniwersytetu Technologicznego w Delft, prowadzony przez Lievena Vandersypena osiągnął wiarygodność rzędu 99,87% przy operacjach na jednym kubicie i 99,65% podczas operacji dwukubitowych. W trzecim z artykułów czytamy zaś o pracach naukowców z japońskiego RIKEN, w trakcie których grupa Seigo Taruchy mogła pochwalić się wiarygodnością 99,84% przy działaniach na jednym kubicie i 99,51% przy pracy z dwoma kubitami.
      Wydajność procesorów z UNSW i Delft została certyfikowana zaawansowaną metodą gate set tomography opracowaną przez amerykańskie Sandia National Laboratories, a wyniki certyfikacji zostały udostępnione innym grupom badawczym.
      Zespół profesora Morello już wcześniej wykazał, że jest w stanie utrzymać kwantową informację w krzemie przez 35 sekund. W świecie kwantowym 35 sekund to wieczność. Dla porównania, słynne nadprzewodzące komputery kwantowe Google'a i IBM-a są w stanie utrzymać taką informację przez około 100 mikrosekund, czyli niemal milion razy krócej, zauważa Morello. Osiągnięto to jednak izolując spiny (kubity) od otoczenia, co z kolei powodowało, że wydaje się niemożliwym, by kubity te mogły wejść ze sobą w interakcje, a więc nie mogły wykonywać obliczeń.
      Teraz z artykułu w Nature dowiadujemy się, że udało się pokonać problem izolacji wykorzystując elektron okrążający dwa jądra atomu fosforu.
      Gdy masz dwa jądra połączone z tym samym elektronem, może zmusić je do wykonywania operacji kwantowych, stwierdza doktor Mateusz Mądzik, jeden z głównych autorów eksperymentów. Gdy nie operujesz na elektronie, jądra te mogą bezpiecznie przechowywać kwantowe informacje. Teraz jednak mamy możliwość, by jądra wchodziły w interakcje za pośrednictwem elektronu i w ten sposób możemy wykonywać uniwersalne operacje kwantowe, które mogą rozwiązywać każdy rodzaj problemów obliczeniowych, wyjaśnia Mądzik.
      Gdy splączemy spiny z elektronem, a następnie możemy elektron ten przesunąć w inne miejsce i splątać go z kolejnymi kubitami, tworzymy w ten sposób duże macierze kubitów zdolnych do przeprowadzania solidnych użytecznych obliczeń, dodaje doktor Serwan Asaad.
      Jak podkreśla profesor David Jamieson z University of Melbourne, atomy fosforu zostały wprowadzone do krzemowego procesora za pomocą tej samej metody, jaka jest obecnie używana w przemyśle półprzewodnikowym. To pokazuje, że nasz kwantowy przełom jest kompatybilny z obecnie używanymi technologiami.
      Wszystkie obecnie używane komputery wykorzystują systemy korekcji błędów i redundancji danych. Jednak prawa mechaniki kwantowej narzucają ścisłe ograniczenia na sposób korekcji błędów w maszynach kwantowych. Konieczne jest osiągnięcie odsetka błędów poniżej 1%. Dopiero wtedy można zastosować kwantowe protokoły korekcji błędów. Teraz, gdy udało się ten cel osiągnąć, możemy zacząć projektować skalowalne krzemowe procesory kwantowe, zdolne do przeprowadzania użytecznych wiarygodnych obliczeń, wyjaśnia Morello.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Firma Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), największy na świecie producent układów scalonych na zlecenie, poinformowała, że wybuduje fabrykę półprzewodników w Japonii. To już druga tego typu zapowiedź w ostatnim czasie. Przed kilkoma miesiącami TSMC ogłosiła, że zainwestuje 12 miliardów dolarów w budowę nowej fabryki w Arizonie.
      Prace budowlane w Japonii rozpoczną się  przyszłym roku, a masowa produkcja chipów ma rozpocząć się w roku 2024. Japoński zakład będzie wyposażony w linie do produkcji w technologii 22 i 28 nanometrów. Będzie więc mniej zaawansowany technologicznie niż fabryka w Arizonie, gdzie powstanie 7-nanometrowa linia technologiczna. W Kraju Kwitnącej Wiśni z taśm produkcyjnych TSMC będą zjeżdżały podzespoły dla produktów konsumenckich, przemysłu samochodowego oraz Internet of Things.
      Dyrektor wykonawczy TSMC, C.C. Wei, poinformował, że firma otrzymała pomoc od japońskiego rządu i swoich japońskich klientów. Nie ujawnił wartości inwestycji, ale zrobił to premier Japonii Fumi Kishida, który poinformował parlament, że budowa pochłonie 8,8 miliarda USD, a część kosztów weźmie na siebie rząd.
      Japońska prasa dowiedziała się, że fabryka powstanie w prefekturze Kumamoto na zachodzie kraju, na ternie należącym do Sony i w pobliżu fabryki Sony, w której powstają matryce światłoczułe. Taka lokalizacja ma spory sens, gdyż Sony jest największym japońskim klientem TSMC.
      Światowy przemysł wciąż ma poważny problem z dostępnością półprzewodników. Niedawno Apple poinformował że najprawdopodobniej będzie zmuszony zmniejszyć tegoroczną produkcję iPhone'ów 13 nawet o 10 milionów sztuk. Do zmniejszenia produkcji została zmuszona też Toyota.
      Pandemia z pełną mocą ujawniła, jak bardzo producenci elektroniki z Europy, USA i Japonii są uzależnieni od chińskich, tajwańskich i południowokoreańskich producentów półprzewodników. Rozpoczęto więc działania, które mają zapobiegać tego typu sytuacjom w przyszłości. Sekretarz Handlu USA zaproponowała przeznaczenie 52 miliardów dolarów na badania nad półprzewodnikami i ich produkcję, Europa chce zwiększyć swoje możliwości produkcyjne, podobnie robi też Japonia. Na Uniwersytecie Tokijskim powołano dwie specjalne organizacje – Research Association for Advanced Systems (RAAS) oraz d.lab – których celem będzie ułatwienie wymiany technologicznej. W ramach RAAS, do której wstęp jest ograniczony, firmy takie jak TSMC, Hitachi czy Toppan mogą wymieniać się swoim know-how oraz korzystać z wyników zaawansowanych badań materiałowych, fizycznych i chemicznych prowadzonych na Uniwersytecie Tokijskim.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Przez 80 lat fizycy próbowali zrealizować pomysł pioniera mechaniki kwantowej, Eugene'a Wignera, który w 1934 roku zaproponował stworzenie niezwykłego rodzaju materii – kryształu zbudowanego z elektronów. W ubiegłym miesiącu na łamach Nature poinformowano o pierwszych eksperymentalnych obserwacjach kryształów Wignera.
      Pozornie może wydawać się, że zbudowanie kryształu z elektronów nie powinno być trudne. Odpychają się one od siebie, chłodzenie zmniejszyłoby ich poziom energetyczny, więc powinny tworząc odpowiedni kształt, tak jak zastyga schłodzona woda. Problem jednak w tym, że zimne elektrony podlegają zasadom mechaniki kwantowej i zachowują się jak fala. Nie zastygają w miejscu w uporządkowanej postaci, a poruszają się i zderzają ze sobą.
      Zespół z Uniwersytetu Harvarda, na czele którego stał Hongkun Park, uzyskał kryształ Wignera niemal przypadkiem. Uczeni badali, jak zachowują się elektrony w bardzo cienkich warstwach półprzewodnika, oddzielonych od siebie warstwami materiału, przez który elektrony nie mogą się przedostać. Naukowcy schłodzili swój materiał poniżej -230 stopni Celsjusza i eksperymentowali z różną liczbą elektronów w każdej z warstw. W pewnym momencie zauważyli, że gdy w warstwie znajduje się określona liczba elektronów, przestają się one poruszać. Z jakiegoś powodu elektrony w półprzewodniku nie mogły się ruszyć. To nas zaskoczyło, mówi You Zhou.
      Autorzy badań zwrócili się o pomoc w wyjaśnieniu tego fenomenu do teoretyków, a ci przypomnieli sobie, że Wigner obliczył, iż elektrony w cienkim dwuwymiarowym materiale powinny utworzyć trójkątny wzorzec, co uniemożliwi im poruszanie się.
      W krysztale uzyskanym przez grupę Zhou siły elektrony ułożyły się w regularny krystaliczny wzór dzięki odpychaniu się zarówno w ramach jednej warstwy, jak i pomiędzy warstwami. Siła odpychania uniemożliwiła im poruszanie się. Jednak takie zachowanie elektronów miało miejsce jedynie wtedy, gdy liczba elektronów w warstwach do siebie dopasowana. Mniejsze trójkąty w jednej warstwie, musiały dokładnie wypełniać przestrzeń wewnątrz większych kryształów w innej warstwie.
      Gdy naukowcy z Harvarda zdali sobie sprawę, że mają do czynienia z kryształem Wignera, doprowadzili do jego „rozpuszczenia się”, wymuszając przejście fazowe, jednak bez dodatkowego ogrzewania. Teoretycy już wcześniej opisywali warunki konieczne do zaistnienia takiego przejścia. Teraz udało się je uzyskać. To naprawdę ekscytujące, obserwować w praktyce to, o czym czytaliśmy w podręcznikach, mówi Park.
      Naukowcy oświetlali warstwy półprzewodnika laserem, co doprowadziło do powstania ekscytonu. Następnie materiał albo odbijał albo emitował światło. Analiza tego światła pozwalała stwierdzić, czy ekscytony wchodziły w interakcje ze zwykłymi swobodnymi elektronami czy też elektronami zamrożonymi w kryształ Wignera. Zdobyliśmy bezpośrednie dowody na istnienie kryształu Wignera o trójkątnej strukturze, mówi Park.
      Zespół z Uniwersytetu Harvarda chce wykorzystać swoje osiągnięcie do badań kryształów Wignera i silnie skorelowanych elektronów. Chcą m.in. odpowiedzieć na pytanie, co się dzieje, gdy kryształ Wignera rozpuszcza się. Ponadto już teraz udało im się zaobserwować kryształ w wyższych temperaturach i z większą liczbą elektronów, niż przewidywali to teoretycy. Zbadanie, dlaczego tak się stało może dać wiele odpowiedzi na pytania o zachowania silnie skorelowanych elektronów.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Nowy półprzewodnik, arsenek boru (BAs), ma wysoką przewodność cieplną i może być zintegrowany ze współczesnymi chipami, by odprowadzić z nich ciepło i poprawić tym samym ich wydajność. Materiał ten lepiej rozprasza ciepło niż najlepsze dostępnie obecne systemy do chłodzenia podzespołów komputerowych – twierdzą twórcy arsenku boru.
      Coraz większa miniaturyzacja, możliwość umieszczenia na tej samej powierzchni coraz większej liczby tranzystorów, oznacza, że procesory są coraz szybsze. Pojawiają się jednak problemy z odprowadzaniem ciepła, szczególnie w postaci lokalnych punktów znacznie wyższej temperatury. Ciepło to negatywnie wpływa na wydajność układów.
      Yongjie Hu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles stworzył niedawno wolny od wad arsenek boru. To materiał, który rozprasza ciepło znacznie lepiej niż inne metale i półprzewodniki, jak diament czy węglik krzemu. Hu i jego koledzy wykazali też, że można go zintegrować z układami scalonymi zawierającymi tranzystory z azotku galu. Następnie przeprowadzili badania, które wykazały, że w układzie scalonym ze zintegrowanym arsenkiem boru, pracującym z niemal maksymalną wydajnością, temperatura najcieplejszych punktów jest znacznie niższa niż w układach chłodzone za pomocą innych materiałów.
      W czasie eksperymentów punktowa temperatura układów scalonych z arsenkiem boru wzrosła od temperatury pokojowej do nieco poniżej 87 stopni Celsjusza, podczas gdy chłodzonych diamentem wyniosła niemal 137 stopni, a chłodzonych węglikiem krzemu – zbliżyła się do 167 stopni Celsjusza.
      Wykazaliśmy, że możemy przetwarzać strukturę BAs i integrować ją z chipem o wysokiej mobilności elektronów. To bardzo obiecujące rozwiązanie dla wysoko wydajnej elektroniki, mówi Hu.
      Dodatkową zaletą arsenku boru jest jego bardzo niski opór cieplny na styku z innym materiałem. To zaś oznacza, że transport ciepła odbywa się szybciej niż w przypadku konkurencyjnych rozwiązań. To tak, jakby ciepło mogło przeskoczyć przez przeszkodę, jaką stanowi styk dwóch materiałów, w porównaniu z innymi rozwiązaniami, gdzie zwalnia, by ostrożnie przeszkodę przekroczyć, wyjaśnia Hu.
      Naukowcy, zachęceni wynikami swoich eksperymentów, planują teraz zintegrować swój materiał z różnymi rodzajami obwodów i chipami o różnej architekturze.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...