В Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН ученые работают с необычным материалом — диоксидом ванадия, который может изменить будущее электроники и вычислительной техники. Этот материал переходит из диэлектрического в металлическое состояние и обратно за сверхмалые времена. Благодаря таким свойствам возможно трансформировать «архитектуру вычислений», что позволит увеличить скорость «мышления» вычислительных машин.
Диоксид ванадия проявляет уникальные свойства. При воздействии на него светом, теплом, электричеством и так далее происходит обратимый фазовый переход, то есть из диэлектрика он становится металлом. При этом такой переход может происходить за 10-13 секунд. А число переключений состояния в наноразмерных кристаллах уже значительно превышает 1010 раз.
Изучением свойств диоксида ванадия и формированием уникальных наноприборов на его основе занимаются в лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН. Это направление было задано несколько лет назад профессором, доктором физико-математических наук Виктором Яковлевичем Принцем.
Для приборов на основе диоксида ванадия нужна очень маленькая структура этого материала — монокристалл размером около 80 нанометров и меньше, потому что именно в таком виде вещество проявляет свои лучшие свойства. Однако работать с одиночным элементом не так просто. Для практических применений необходимо иметь упорядоченный массив таких кристаллов, что никому в мире еще не удавалось сделать. В обычных условиях кристаллы растут на подложке хаотично, и составить их в упорядоченную последовательность невозможно. Поэтому, чтобы вырастить массив упорядоченных наноразмерных монокристаллов, в лаборатории применили новый метод — штамповую наноимпринтлитографию, которая работает по принципу оттиска. С ее помощью ученые могут упорядоченно выращивать диоксид ванадия по заданной схеме.
«В чистой комнате мы брали штамп с наноразмерными выступами и кремниевую подложку, на которую нанесен специальный резист — защитный материал. Комната должна быть абсолютно чистой, потому что даже малейшая пылинка может сделать брак при отпечатке, — рассказывает научный сотрудник ИФП СО РАН Сергей Владимирович Мутилин. — На штампе есть специальный рисунок из решеточек и квадратиков нанометровых размеров, который мы отпечатываем на подложке. Рисунок зависит от того, что нам нужно получить. После его нанесения мы формируем трехмерную поверхность подложки с помощью травления кремния через полученную маску резиста. В результате на подложке получаются нановыступы — места для роста будущих кристаллов. Так мы избавляемся от хаотичного образования элементов, потому что монокристаллы диоксида ванадия начинают расти по рисунку, который мы отпечатали с помощью штампа».
Ученым требовался именно наноразмерный монокристалл диоксида ванадия, потому что только он обладает нужным качеством для дальнейшей работы. Из-за такой малой величины и чистого состава этот кристалл является прочным: чем больше его размер, тем больше вероятность того, что в его структуре будет брак, и он разрушится от внешнего воздействия. Нужную кристаллическую структуру этого вещества получить достаточно сложно, поэтому лаборатория сотрудничает с Институтом неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, где происходит сам процесс выращивания монокристаллов.
«Когда наши монокристаллы выросли, мы начали их изучать и доказали, что, действительно, это — практически бездефектные монокристаллы, и, кроме диоксида ванадия нужной нам фазы, там ничего больше нет. У него замечательные свойства и его уже можно брать и применять», — рассказывает Сергей Мутилин. Результат работы ученых попал на обложку американского научного журнала AppliedPhysicsLetters (за 23 июля 2018).
Результат работы — упорядоченные монокристаллические нанопроволоки
У диоксида ванадия есть разные сферы применения. Например, его можно использовать в инфракрасных фотодетекторах, которые по-другому называются болометрами. В них находится матрица, которая позволяет человеку смотреть распределение тепла в окружающей среде. Такие приборы нужны для ориентации в пространстве: например, для солнечных батарей, для измерения температуры чего-либо на расстоянии, в военной промышленности и так далее. Элементы матрицы этих устройств состоят из полупроводников. Недостаток тех проводников, которые сейчас используются в матрице, заключается в том, что они требуют постоянного охлаждения, для этого нужно применять жидкий азот. Диоксид ванадия же охлаждать не нужно, этот элемент работает при комнатной температуре и имеет высокую чувствительность.
«Для развития нужен прогресс в вычислительных мощностях компьютеров: в плане нарастания объемов памяти, скорости вычисления и снижения энергопотребления. У диоксида ванадия есть все шансы, чтобы потеснить традиционный кремниевый транзистор, — говорит Сергей Мутилин. — За счет особого взаимодействия электронов в нем, диоксид ванадия очень быстро меняет свои свойства и при этом потребляет очень мало энергии, в отличие от обычных транзисторов. Более того, сейчас ученые рассматривают внедрение новой архитектуры чипа, где основным элементом выступает диоксид ванадия, основанного на принципах работы человеческого мозга».
Однако о внедрении говорить пока рано, потому как разработки проходят начальный этап. «Когда мы сможем рассказать про свойства этих кристаллов больше, тогда, конечно, и интерес возрастет. После выхода нашей статьи в журнале нам стали писать исследователи из различных стран с предложениями о сотрудничестве», — отмечает С. Мутилин.
Подготовили студентки ГИ НГУ Анастасия Фадеева и Мария Михайлова
Иллюстрации предоставлены ИФП СО РАН
