Диоксид гафния продлит действие закона Мура
Использование диселенида и диоксида гафния может позволить сделать кремниевые транзисторы в десять раз меньше, чем существующие рекордные показатели. Таким образом ученые из Стэнфордского университета надеются продлить действие закона Мура еще как минимум на несколько лет. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Существует эмпирическое наблюдение, называемое законом Мура, которое гласит, что каждые два года количество транзисторов на интегральных платах удваивается. Несмотря на то, что в разное время скорость повышения количества транзисторов разнилась, в целом этот закон действительно соблюдался в течение десятилетий. Однако, в последнее время разработчики чипов приближаются к физическим ограничениям. Совсем недавно IBM объявила о разработке пятинанометрового технологического процесса, а десятинанометровые процессоры уже можно встретить в серийно выпускаемых смартфонах. Это означает, что толщина кремниевых элементов уже измеряется десятками атомов и дальнейшая миниатюризация становится все сложнее.
Кремний используется как основной материал в полупроводниковой промышленности из-за двух важных свойств. Во-первых, он обладает такой шириной запрещенной зоны, что транзисторы на его основе потребляют мало энергии, во-вторых, его оксид может служить изолятором, защищающим транзистор от утечки тока. Соответственно, при дальнейшем уменьшении толщины может возникать ток утечки, вызванный туннелированием зарядов через диэлектрик, и это является одним из основных препятствий на пути к дальнейшей миниатюризации микросхем.
Американские ученые нашли способ продолжить миниатюризацию кремниевых транзисторов с помощью диселенидов гафния и циркония. Оказалось, что в отличие от кремния, если уменьшить толщину этих веществ до слоя из трех атомов, они все еще сохраняют хорошую ширину запрещенной зоны, а оксиды гафния и циркония служат гораздо более эффективным изолятором, чем оксид кремния. Исследователи создали несколько прототипов таких транзисторов. Несмотря на то, что основную роль в них играли новые материалы, ученым все равно пришлось использовать кремний в качестве подложки, и его оксид в качестве «буферного слоя», помогающего «сгладить» разницу между кристаллическим строением кремния и диселенидов.
Ученые признают, что как и в случае со многими другими прорывами в области полупроводников, предстоит решить немало проблем перед тем, как технологию можно будет использовать в реальном производстве. К примеру, необходимо создать соответствующие контакты для таких небольших транзисторов.
В прошлом году физики из Стэнфордского университета и других организаций смогли создать транзистор с рекордно малым размером затвора — около нанометра. Другие ученые решили использовать другой подход и создали миниатюрные транзисторы, работающие на фотоэффекте.
Григорий Копиев
Термопокрывало охладит электромобиль днем и согреет ночью
Китайские инженеры создали терморегулирующий материал и термопокрывало на его основе, которое защищает электромобиль от жары и холода без дополнительных затрат энергии. Термопокрывало состоит из двух частей, одна из которых представляет собой ткань на основе диоксида кремния и нитрида бора, а вторая на основе фольги из алюминиевого сплава. Использование материала в качестве автомобильного чехла позволило в жаркую погоду сохранять температуру в салоне почти на 28 градусов ниже, чем в салоне автомобиля без чехла, а ночью поддерживать температуру батарейного блока электромобиля почти на 7 градусов выше температуры снаружи. Статья опубликована в журнале Device. Поддержание определенной температуры необходимо не только для комфортного самочувствия человека, но и для нормальной работы многих технических устройств. Например, в холодную погоду литий-ионные аккумуляторы теряют емкость, а летом в жару перегреваются, что может привести к сокращению их срока службы или даже возгоранию. Чтобы удерживать температуру в нужном диапазоне, требуется дополнительная энергия на нагрев или охлаждение, и на это может уходить довольно много энергии, особенно если речь идет о больших аккумуляторных батареях — как, например, в электромобилях. Однако существует способ регулировать температуру объекта пассивным образом, не затрачивая для этого дополнительную энергию. По такому пути пошли инженеры под руководством Кэ Хан Цуя (Kehang Cui) из Шанхайского университета транспорта. Они разработали материал, который за счет своих излучательных свойств позволяет регулировать радиационный нагрев и охлаждение, и изготовили из него термопокрывало, которое назвали «термальный плащ Януса». Название в честь двуликого бога из римской мифологии отражает двухстороннее строение материала. Внешняя его сторона играет роль солнцезащитного инфракрасного радиатора, а внутренняя — роль широкополосного инфракрасного отражателя. Внешняя часть материала изготовлена из тонких волокон на основе диоксида кремния, которые покрыты наночастицами нитрида бора с гексагональной кристаллической решеткой. Волокна материала переплетаются вместе и образуют ткань. С обратной стороны к ней прикрепляется внутренний слой, изготовленный из алюминиевого сплава. Внешняя и внутренняя стороны материала обладают различными оптическими свойствами: сторона с тканью имеет высокий коэффициент отражения солнечного света до 96 процентов, а также высокую излучательную способность до 97 процентов в инфракрасном диапазоне, совпадающем с атмосферным инфракрасным окном с длинами волн от 7 до 14 микрометров, в то время как фольга из алюминиевого сплава, расположенная с обратной стороны, обладает высокой отражательной способностью со значением около 93 процентов и не имеет потерь во всем инфракрасном диапазоне (5-16,7 мкм). Это позволяет плащу отражать большую часть падающего солнечного излучения и при этом остывать за счет излучения фотонов в инфракрасном диапазоне. В то же время с внутренней стороны происходит рециркуляция фотонов, излученных объектом — они отражаются от материала. Для оценки эффективности термального плаща исследователи провели испытания с использованием двух электрокаров, припаркованных на открытом воздухе в типичных погодных условиях в Шанхае. Один из автомобилей был укрыт термочехлом. В то время как температура салона незакрытого автомобиля достигала 51 градуса Цельсия в полдень, температура салона автомобиля, укрытого чехлом, была на 27,7 градуса ниже. И на 7,8 градуса ниже значения температуры на улице. Температура батарейного блока автомобиля без чехла соответствовала температуре окружающей среды, в то время как температура батареи электромобиля, укрытого материалом, была на 8 градусов ниже дневной температуры. В зимнюю ночь, когда уличная температура опускалась ниже нулевой отметки, термочехол помогал удерживать температуру батарейного блока на 6,8 градуса Цельсия выше, чем снаружи. Инженеры отмечают, что материал термопокрывала разработан таким, чтобы его можно было масштабировать в производстве. Для этого им пришлось пойти на некоторые компромиссы. Например, использование более тонких волокон кремния повысило бы солнечную отражательную способность, но они были бы менее прочными и не могли бы быть изготовлены с использованием промышленных технологий, уже существующих на рынке. Кроме того, используемые материалы, включая алюминий, кремний и нитрид бора, являются недорогими, что делает плащ легким, прочным и огнестойким. Он может использоваться не только для изготовления автомобильных чехлов, но и, например, в качестве материала для покрытия зданий и даже космических аппаратов. Ткани на основе материалов с разными излучательными свойствами могут использоваться и для создания одежды. Например, недавно мы рассказывали о бельгийских физиках, которые спроектировали ткань, одежда из которой может быть теплой или очень легкой в зависимости от того, какой стороной она надета. Это достигается за счет разницы между излучательными свойствами двух сторон ткани.