1. Перейти к содержанию
  2. Перейти к главному меню
  3. К другим проектам DW

О сверхпроводимости кремния, о свойствах графена и технологии измерения параметров сверхскоростных микропроцессоров

Владимир Фрадкин «Немецкая волна»

12.02.2007

https://p.dw.com/p/9qMM

Правда, существуют также микросхемы на основе других полупроводников (например, арсенида галлия) и даже диэлектриков (например, граната), однако безусловным лидером в этой сфере сегодня является кремний. Столь широкое применение именно этого элемента объясняется, прежде всего, тем, что электронщики научились изменять его электрические свойства в очень широких пределах. Для этого используются различные технологические приёмы – такие как введение примесей или целенаправленное создание определённых дефектов в кристаллической структуре. Однако до самого последнего времени учёным никак не удавалось заставить кристаллы кремния перейти в состояние сверхпроводимости. И вот теперь группа французских исследователей сумела преодолеть и этот барьер.

Тут необходим небольшой исторический экскурс. С тех пор, как нидерландский физик Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kamerlingh Onnes) в 1911-м году открыл явление сверхпроводимости, за что и удостоился вскоре Нобелевской премии, прошло почти 100 лет. И хотя в 1972-м году трём американцам – Джону Бардину (John Bardeen), Леону Куперу (Leon Cooper) и Джону Роберту Шрифферу (John Robert Schrieffer) – была присуждена ещё одна Нобелевская премия – за теоретическое обоснование сверхпроводимости, – физическая природа этого явления, как ни удивительно, и сегодня ещё таит ряд загадок. Напомню, что речь идёт о способности некоторых веществ при охлаждении их ниже определённой температуры – так называемой критической температуры перехода – полностью терять электрическое сопротивление и проводить электрический ток без каких-либо потерь. На протяжении долгих десятилетий науке были известны только сверхпроводники с крайне низкими критическими температурами перехода, лишь незначительно превышающими абсолютный нуль. Даже у технеция, имеющего самую высокую среди чистых металлов критическую температуру перехода, она составляет лишь 11,2 градуса Кельвина. Между тем, получение и поддержание столь низких температур с использованием весьма капризного в эксплуатации жидкого гелия является делом не только сложным, но и, что ещё важнее, чрезвычайно дорогостоящим, а потому о практическом применении сверхпроводимости в технических устройствах долгое время не могло быть и речи. Однако в 1986-м году двум сотрудникам концерна «IBM» – немцу Йоханнесу Георгу Беднорцу (Johannes Georg Bednorz) и швейцарцу Карлу Александру Мюллеру (Karl Alexander Müller) – удалось открыть новый класс соединений, способных переходить в сверхпроводящее состояние уже при значительно более высоких температурах. Синтезированная учёными керамика, состоящая из атомов кислорода, меди, бария и лантана и в обычных условиях вообще не проводящая электрический ток, обретала сверхпроводимость при температуре 30 градусов Кельвина. Открытие этого нового эффекта, названного высокотемпературной сверхпроводимостью, уже на следующий год также было удостоено Нобелевской премии. Немного погодя выяснилось, что результаты опытов искажены небольшой примесью свинца и что на самом деле критическая температура этого соединения даже гораздо выше – 58 градусов Кельвина. А ещё год спустя группа американских исследователей, заменив в составе всё той же керамики лантан на иттрий, получила и вовсе сногсшибательный результат – 92 градуса Кельвина, что значительно выше температуры кипения жидкого азота. И хотя физическая природа высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор неизвестна, исследователям из года в год удаётся получать всё новые и новые сверхпроводники с ещё более высокой критической температурой перехода. Абсолютный рекорд – 138 градусов Кельвина – принадлежит сегодня соединению, состоящему из атомов кислорода, ртути, таллия, бария, кальция и меди. Правда, все эти высокотемпературные сверхпроводники представляют собой металлооксидные керамики, которые, во-первых, очень дороги, а во-вторых, обладают высокой хрупкостью, что делает их непригодными для широкомасштабного технического применения.

Но вернёмся к кремнию и к экспериментам группы физиков Национального центра научных исследований Франции (CNRS) в Гренобле под руководством Этьенна Бустарре (Etienne Bustarret). Результаты этой своей работы учёные опубликовали в журнале «Nature», и они оказались настолько впечатляющими, что американский химик Роберт Кейва (Robert Cava) из Принстонского университета озаглавил свой сопровождающий статью комментарий одним словом – «Супер-кремний». Впрочем, сам Бустарре подобных громких слов избегает:

Единственное супер-свойство нашего кристаллического кремния состоит в том, что он обладает низкотемпературной сверхпроводимостью при нормальном атмосферном давлении.

Сенсационность полученных результатов заключается в том, что добиться этого эффекта учёным, несмотря на упорные попытки, не удавалось на протяжении 60-ти лет. Как известно, кремний имеет кубическую кристаллическую решётку типа алмаза и в чистом виде ведёт себя при комнатной температуре как типичный диэлектрик: он располагает столь малым количеством свободных носителей заряда, что не проводит электрический ток. Но это, повторяю, в чистом виде. Электропроводность кремния можно изменять в чрезвычайно широких пределах, используя так называемое допирование, то есть введение примесей. Проблема лишь в том, что кремний «отчаянно противится» допированию. Иными словами, внедрить в его кристаллическую решётку посторонние атомы очень трудно. С одной стороны, это свойство существенно облегчает получение высокочистого кремния. С другой стороны, достаточно очень небольшого количества атомов примеси – бора или фосфора, – чтобы сделать кремний электропроводным. В зависимости от того, каким элементом допируется кремний, в кристалле появляются либо «лишние», то есть свободные электроны проводимости – носители отрицательного заряда, – либо, наоборот, дырки – квазичастицы, ведущие себя как носители положительного заряда. Уже при соотношении примеси «8 чужих атомов на 100 тысяч своих» кремний обретает электрические свойства типичного металла, от природы располагающего большим количеством свободных носителей заряда. И все теоретические расчёты предсказывали, что при более высокой концентрации примеси кремний должен обладать также низкотемпературной сверхпроводимостью. Однако допировать кремний так, чтобы добиться этого эффекта на практике, долгое время не удавалось, и для перевода кремния в сверхпроводящее состояние его кристаллы приходилось не только охлаждать до температуры, близкой к абсолютному нулю, но ещё и подвергать колоссальному давлению в 100 тысяч атмосфер. Этьенн Бустарре говорит:

Металлические свойства – это необходимая предпосылка для перехода в сверхпроводящее состояние. Однако в случае кремния этого оказалось недостаточно. Нам пришлось увеличить концентрацию свободных носителей заряда в 10 тысяч раз по сравнению с той, что имеет место в металлическом кремнии, прежде чем мы добились сверхпроводимости при нормальном давлении.

Для того, чтобы внедрить в кремний столь значительное количество примеси, французские учёные разработали специальную технологию, которая по своей эффективности намного превзошла все применявшиеся ранее приёмы. Сперва они поместили кремниевую пластину в газовую среду с высоким содержанием бора, атомы которого образовали на поверхности пластины тончайшую плёнку. А затем они облучили образец импульсным ультрафиолетовым лазером высокой мощности. Этьенн Бустарре поясняет:

Под воздействием такого лазерного обстрела кремний плавится. Напылённые заранее на поверхность образца атомы бора погружаются в этот расплав, а в следующий момент кремний остывает, твердеет, кристаллизуется, и атомы бора оказываются как бы заморожены внутри кристалла. Каждый следующий лазерный импульс вдавливает в образец всё новые и новые атомы бора, повышая концентрацию примеси, так что в результате во многих узлах кристаллической решётки, ранее занятых атомами кремния, оказываются атомы бора.

Таким методом учёным удалось довести концентрацию примеси в образце до 4-х процентов, что, в свою очередь, и позволило, охладив образец до температуры всего на 0,35 градуса выше абсолютного нуля, добиться-таки при нормальном атмосферном давлении полного исчезновения электрического сопротивления.

Конечно, из-за столь сложной и дорогостоящей технологии допирования, равно как и из-за необходимости использовать для глубокого охлаждения жидкий гелий ценность подобного рода экспериментов ограничивается, в основном, сферой фундаментальных исследований. Однако Этьенн Бустарре задумывается уже и о прикладном применении сверхпроводящего кремния, хотя и понимает, что на этом пути предстоит преодолеть ещё немало препятствий:

Главная проблема всех производимых сегодня электронных устройств, в которых используется сверхпроводимость,– это проблема интерфейса между нормальными проводниками и сверхпроводящими элементами. Ведь пока там приходится решать проблему контакта двух совершенно разных материалов. Если же теперь у нас появляется возможность и сверхпроводящие элементы изготовлять из кремния, то это позволит оптимизировать такие места контакта. То есть результаты наших экспериментов могут оказаться весьма полезными для такого применения. Конечно, необходимость столь глубокого охлаждения сильно усложняет ситуацию, но мы полагаем, что дальнейшее повышение концентрации бора – скажем, до 8-ми процентов, что вполне осуществимо, – позволит поднять и критическую температуру перехода кремния в сверхпроводящее состояние.

Но если использование сверхпроводящего кремния в микроэлектронике – дело всё же отдалённого будущего, то открытие углеродного наноматериала под названием «графен» может уже в ближайшее время дать мощный импульс развитию так называемой молекулярной электроники.

Как известно, углерод встречается в природе в различных аллотропных формах – в виде алмаза, карбина, графита, фуллеренов и нанотрубок, – и каждая их этих модификаций имеет свои особые свойства. Что такое алмаз, уголь и графит, известно всем, поэтому напомню лишь, что фуллерены – это полые молекулы, имеющие форму выпуклого замкнутого многогранника и состоящие из большого – до 560-ти – числа атомов углерода, а нанотрубки – это также состоящие из атомов углерода вытянутые полые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон. Графен же – это, собственно говоря, плёнка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру. Таким образом, графен можно считать развёрнутой в плоскость одностенной нанотрубкой, или одним из множества атомарных слоёв, составляющих кристалл графита, или же двухмерным фуллереном. Этот новый наноматериал был получен группой американских физиков во главе с профессором Андре Геймом (Andre Geim) из университета в Манчестере, штат Джорджия, и группой российских учёных из Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов в Черноголовке во главе с доктором Константином Новосёловым. Графен обладает рядом ценных, порой весьма необычных свойств и сулит подлинную революцию в нанотехнологии и электронике. Профессор Гейм говорит:

Представьте себе материал толщиной всего в один ангстрем – это 10 в минус десятой степени метров, то есть диаметр одного атома. Гексагональная кристаллическая структура – своего рода плоские соты из атомов углерода – придаёт этому материалу гибкость, прочность, эластичность и чрезвычайную стабильность, в том числе и при комнатной температуре. Кроме того, графен – отличный проводник. Это просто невероятно: в графене электроны летают на расстояниях, в тысячи раз превышающих межатомные, но не рассеиваются, не реагируют на внешнюю среду! Столь высокая мобильность электронов делает графен чрезвычайно перспективным материалом для создания наноэлектронных компонентов.

Первые сообщения профессора Гейма о том, что ему удалось отделить от кристалла графита один атомарный слой, были встречены весьма сдержанно.

Никто нам не верил. Мы посылали статьи и в «Nature», и в «Applied Physics Letters», но никто не хотел их публиковать. А многие коллеги из тех, кому было поручено проверить результаты наших работы, даже не скрывали недоверия. Сегодня все они часто наведываются ко мне, чтобы поподробнее разузнать о технологии получения нового материала – как расслоить графит, чтобы получить самый тонкий их всех возможных – атомарный – слой углерода.

Коллега Андре Гейма – Уолт де Хир (Walt de Heer), профессор физического факультета Джорджийского технологического института в Атланте, – также преисполнен оптимизма. Он уверен, что это открытие имеет большое будущее – прежде всего, потому, что дальнейшие действия легко распланировать:

Я полагаю, что это совершенно невозможно с углеродными нанотрубками. А здесь ситуация совершенно иная. Мы сегодня уже точно знаем, как получить те или иные графеновые структуры и как совершенствовать эту технологию.

Это тем более примечательное заявление, что профессор де Хир долгие годы изучал именно нанотрубки. Теперь же он считает, что в сфере наноэлектроники у них очень мало шансов. Правда, ему и его коллегам удалось создать на основе сверхпроводящих нанотрубок миниатюрные быстродействующие транзисторы, но каждый раз это была, так сказать, «сложная и трудоёмкая ручная работа». О надёжном технологическом процессе, на котором можно было бы построить серийное производство, пока и речи нет. Совсем иное дело – графен, – говорит профессор де Хир:

Промышленность проявляет к нашим работам колоссальный интерес, потому что они открывают путь к новой молекулярной электронике. До сих пор было очень трудно создать схему, в которой функцию переключателей выполняли бы отдельные молекулы: уж очень плохо они сочетаются с металлическими проводниками. А графен имеет структуру, сходную со структурой таких молекул-переключателей.

В том же духе высказывается и Константин Новосёлов из Черноголовки. По его словам, хотя многие необычные свойства графена окажутся востребованы лишь в более отдалённом будущем, сверхбыстрые транзисторы, микромеханические устройства и наносенсоры на основе графена появятся уже через несколько лет.