Нанотехнологии — в ваш мобильник!

Американские ученые сконструировали новый транзистор с размером входа в 50 000 раз тоньше человеческого волоса и на порядок меньше существующих кремниевых транзисторов. Отчет опубликован в журнале Science.

«Что это значит? Например, это значит, что если сделать мобильный телефон, основанный на этой технологии, его можно будет заряжать гораздо реже», — поясняют авторы исследования.

Жизнь по законам Мура

В 1960-е годы Гордон Мур, ставший затем одним из основателей корпорации Intel, заметил, что каждые два года объем компьютерной памяти удваивается. Оказалось, что закону Мура подчиняется не только объем памяти, но и количество транзисторов (устройства, позволяющие с помощью входного сигнала управлять током в электрической цепи), умещающихся на кристалле интегральной схемы, скорость процессора и другие показатели. От огромных шкафов с лампами компьютеры эволюционировали до портативных устройств, а эмпирическое правило Мура все продолжает работать. Постепенно временной промежуток, требующийся для удваивания производительности компьютеров, сократился до полутора лет.

Если бы авиапромышленность развивалась столь же быстро, то самолет к 1983 году мог бы облетать Землю за 20 минут, затрачивая 18,9 галлонов топлива, и стоил бы 300 долларов. Однако если рассчитать скорость эволюции транзисторов с помощью геометрической прогрессии, можно понять, что к середине XXI века транзисторы должны будут быть размером с атом, что делает невозможной дальнейшую работу закона.

Сейчас мы приближаемся к пороговым размерам транзисторов из существующих материалов, но недавно ученые предложили выход из этой ситуации.

Быстрее, меньше, мощнее

Согласно закону Мура, высокопроизводительные кремниевые транзисторы в современных электронных устройствах становятся все меньше, позволяя электронике работать быстрее и при этом тратить меньше энергии.

Но кремний имеет свои ограничения, и в какой-то момент технологическое развитие упирается в физические возможности материала. Исследователи из Техасского университета в Далласе, Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Стэнфордского университета создали транзистор, который меньше этого лимита. «Наша работа представляет новый взгляд на возможность преодоления предела размера транзисторов, основанных на кремнии», — сообщает соавтор статьи Мун Ким, профессор наук о материалах и инженерии в Техасском университете.

Через канал в транзисторе от истока (источника носителей тока) к стоку (электроду, к которому стекаются носители) постоянно движется поток электронов, как вода в водопроводном кране, пока его не перекрыли. Затвор — «вентиль», закрывающий поток в транзисторе, может остановить его за доли секунды в ответ на определенный уровень напряжения. Одной из проблем в создании транзисторов такой величины является возможность случайной «утечки» электронов в момент, когда их основной поток перекрыт. Когда затвор становится менее пяти нанометров, включаются квантовые эффекты, и поток электронов становится невозможно контролировать.

«На сегодняшний день лучшие и самые маленькие коммерчески доступные кремниевые транзисторы имеют размер затвора более десяти нанометров. Теоретический нижний порог для кремниевых транзисторов составляет пять нанометров. Наше устройство, описанное в статье, имеет размер затвора около одного нанометра, на порядок меньше. Использование такой конструкции позволило бы значительно уменьшить размеры компьютерного чипа», — поясняет Мун Ким.

И потекут электроны по нанотрубкам

Предложенный учеными транзистор состоит из другого типа полупроводников — соединения переходных металлов с халькогенами (серой, селеном, теллуром и др.). Прибор, который они сконструировали, основан на дисульфиде молибдена (MoS₂), часто используемом компоненте смазки двигателей. В качестве затвора в новом транзисторе стоит одностенная углеродная нанотрубка (свернутый в трубку слой углеродных шестиугольников, такой же, как и тончайший слой графита, который может оставить за собой карандаш на бумаге). Изготовили транзистор и провели теоретические модельные испытания калифорнийские ученые, а группа из Техасского университета описала свойства полученного прибора, используя электронный микроскоп с атомным разрешением.

Дисульфид молибдена также может растягиваться в листы толщиной в один атом (примерно 0,65 нанометров), сохраняя электрическую постоянную (способность материала хранить энергию в электрическом поле) низкой. И у кремния, и у дисульфида молибдена — кристаллическая пространственная решетка, но поток электронов легче проникает через кремний и встречает меньше сопротивления, чем в случае с MoS₂, поэтому в этом веществе поток электронов течет медленнее и поддается контролю.

«Заменив кремний в транзисторе на дисульфид молибдена, мы можем создать транзистор с затвором всего в один нанометр, которым можно работать как переключателем», — сообщают авторы исследования, а это значит, что для закона Мура последний час еще не пробил.