Непомітна революція у матеріалах: двовимірний галій, нове скло та фотоніка

Дослідники з різних університетів світу продовжують експериментувати з новими матеріалами. Лише останнім часом вони встигли створити новий вид скла, новий двовимірний матеріал для наноелектроніки, заснований на кремнії, що здатен розподіляти фотони з надзвичайною точністю, а також наноструктури досі непоєднуваних матеріалів.

Чим в біса займаються матеріалознавці?

Що може бути цікавого у матеріалах у той час, коли людство проникає усе глибше у таємниці космосу, основ матерії та життя на Землі? Як це не дивно, цікавими є самі матеріали та їхні властивості. Матеріалознавство – це фантастичний всесвіт, де існують дивовижні речі. Однак з більшістю з них ми майже не зустрічаємося у повсякденному житті.

Нанокристали галію
Нанокристали галію з внесеними до них атомами германію та олова. Джерело: TU Wien

Головне у нових матеріалах – вони дуже різноманітні, і про кожен із них можна розповідати окремо. Проте ще дивовижнішим є те, що різні дослідження виявляються пов’язаними між собою та органічно доповнюють одне одного.

Двовимірний галій

Дослідження з Університету Райса, що у Техасі, та Наукового інституту Індії у Бангалорі відноситься до категорії тих, що зараз є найбільш необхідними. Науковці вперше створили двовимірний галенен – пласку плівку з матеріалу, що проводить електричний струм, і яка є аналогом графену, з тією лише різницею, що замість атомів вуглецю у цьому матеріалі присутні атоми галію.

Кристали галію
Кристали галію. Джерело: user:foobar / own work CC BY-SA 3.0

Дана робота є продовженням широкого спектра досліджень з отримання матеріалів, які призначені для створення нового покоління електроніки, у якій розміри елементів будуть вимірюватися нанометрами, а також основи “пласкої електроніки”. Зокрема, новий матеріал планується використовувати у якості контактної пластини, що буде сполучатися з пласкими напівпровідниками та утворювати електричні схеми.

Складність тут полягала у тому, що на відміну від графену, галенен неможливо ані отримати з пари галію шляхом її осадження, ані розділити галій на тонкі шари механічно. Щобільше, галій швидко вступає в реакцію з киснем (окислюється). Тож було вирішено вдатися до іншого способу. Вчені нагріли порошкоподібний галій до 29,7 градуса за Цельсієм, трохи нижче за точку плавлення галію. Цього виявилося достатньо для того, аби одну краплину галію можна було помістити на скляну поверхню.

Галій у соляному розчині. Хаотичний рух пов’язаний зі зміною поверхневого натягу металу у розчині. Джерело: YT/chemicum

Після цього на галій тиснули пластинкою з діоксиду вуглецю, відриваючи від краплини усього декілька шарів. Дослідники також експериментували з іншими основами, такими як арсенід галію, нітрид галію, кремній та нікель. І щоразу властивості отриманої композиції трохи відрізнялися. Однак для даної галузі це не проблема, а ціла купа нових можливостей.

Дослідники почали перехід до якісно нової електроніки, електроніки, що буде мати вигляд одягу чи листів паперу. Інколи, основою чогось надзвичайного є щось дуже просте, і двовимірний галенен може бути яскравим прикладом такого випадку.

Інтегральна схема для квантового комп’ютера

Кремнієве квантове електричне коло
Мініатюрна “лабораторія” на чипі з квантовою оптронікою на основі кремнію. Джерело: University of Bristol

Роботу великого міжнародного колективу під керівництвом дослідників з Бристольського університету теж можна віднести до тих, про які пишуть ЗМІ. Річ у тім, що вона безпосередньо стосується квантових комп’ютерів. Для них, як відомо, необхідно випускати частинки з високою точністю та у різних квантових станах. А для цього необхідна робота на межі матеріалознавства та мікроелектроніки, у галузі, відомій як фотоніка.

Фотоніка використовує замість електричного струму частинки світла, тож для неї необхідні особливі компоненти – кремнієві напівпровідники, у яких за допомогою електромагнітних напівпровідників захоплюються електрони у різних квантових станах, перетворюючи їх на так звані квантові біти – кубіти.

Кремнієвий квантовий чип
Кремнієвий квантовий чип. Джерело: TU Delft

Донедавна дослідникам, які працюють у галузі фотоніки, вдавалося переносити на мікросхемні чипи лише окремі елементи, необхідні для контролю за частинками. Тому досі такі пристрої могли генерувати частинки лише у двох станах.

Тепер же виготовлено першу інтегральну схему з 550 різних елементів, які охоплюють 16 ідентичних джерел фотонів, 93 оптичних фазообертача та 122 променевих спліттера. Завдяки цьому, одна пара фотонів може рухатися одночасно п’ятнадцятьма різними оптичними шляхами та взаємодіяти сама з собою. Звичайно, що це можливе виключно завдяки високій точності, з якою випускаються фотони.

Таким чином дослідники матеріалів створюють основу для нового покоління обчислювальної техніки. Квантові процесори, які нещодавно вважалися фантастикою, вже зараз стають реальністю.

Металоорганічне скло

У той час як робота дослідників, що створюють квантові схеми, стосується не стільки нових напівпровідників, скільки технології їхнього розташування на чипі, робота вчених Державного університету Пенсильванії може здатися настільки ж непомітною, наскільки вона є ближчою до чистої науки взагалі.

 ZIF-62 - металорганіка
Структура ZIF-62 – металоорганіка. Джерело: Ang Qiao / Penn State

Річ у тім, що вони винайшли скло. Точніше – нове скло. Буквально, вони винайшли абсолютно новий клас скла, про який раніше ніхто не підозрював.

У звичному нам матеріалі присутній кремній. Було б дивно, якби його не було у традиційному склі, оскільки структура будь-якого скла – це тетраедр із чотирьох атомів кисню з атомом кремнію посередині. Якщо охолодити такий матеріал достатньо швидко, то замість регулярної кристалічної структури тетраедри сформують хаотичну. Такий аморфний матеріал ми і називаємо склом.

Вчені експериментують зі склом давно, додаючи до нього різні речовини, переважно метали. Однак дослідники з Університету Пенсильванії додали одночасно два досить дивних елементи. Вони синтезували дві дуже схожі металоорганічні сполуки – імідазолат цинку та бензимідазолат цинку, молекули яких при введенні у розжарену шихту випадковим чином заміщують кисень на вершинах тетраедра. Так виникло нове скло, що отримало назву ZIF-62.

Досі, усе, що додавали до оксиду кремнію, лише погіршувало його здатність переходити не у кристалічний, а у склоподібний стан. Чисте кремнеземне скло залишалося найбільш придатним для формування видом матеріалу серед понад 50 досі відомих різновидів.

З точки зору формування, скло тим краще, чим вище співвідношення температури переходу у склоподібний стан до температури плавлення скла. Дуже гарним показником досі вважалося співвідношення температури утворення скла до температури плавлення у 0,67. А у ZIF-62 цей показник складає 0,84, що говорить про те, що величина, на яку треба різко охолодити таке скло, лише трохи перевищує 100 градусів.

Поєднати непоєднуване

Як саме це скло буде використане у майбутньому поки що важко уявити. Навряд чи воно здійснить переворот, подібний до квантових комп’ютерів, однак можливо ZIF-62 буде використовуватися саме у галузі високоточної техніки, завдяки своїм високим формувальним властивостям.

У матеріалознавстві бувають випадки, коли навіть сумісне плавлення кількох матеріалів не дозволяє отримати на виході кристал, який містив би атоми конкретних компонентів у певній пропорції. Але інколи це конче необхідно дослідникам, оскільки введення до складу кристалу атомів чужорідного елементу дозволяє отримати матеріал із новими властивостями. Так зокрема отримують напівпровідники.

До розплавленого середовища найулюбленішої речовини матеріалознавців, – кремнію, вносять атоми бору або якогось схожого елементу, і на виході отримують кристал напівпровідника.

Германій
Германій

Проте з металом германієм цей фокус не спрацьовує. Його просто виштовхує з масиву розжареного кремнію. Причому чим  вища температура, тим швидше германій намагається вийти зі сплаву. Тож замість того, щоб підвищувати температуру, матеріалознавці вирішили знизити її.

При температурі між 140 та 230 градусами за Цельсієм із розплаву германію, олова та галію формувалися дуже тонкі кристали. Вони нагадують гілки або дротинки, товщина яких складає усього десятки нанометрів. Однак головне у новому матеріалі не це. Отримані  кристали германію містять у своєму складі 28% олова та 3,5% галію, що раніше вважалося неможливим.

Тепер можна спробувати повторити цей фокус із кремнієм та германієм, що дасть можливість отримати нові напівпровідники, а можливо й елементи для майбутніх квантових чипів. Принаймні, так вважають дослідники з Інституту хімії матеріалів Віденського технічного університету, які й отримали новий матеріал.

Як можна побачити на прикладі всіх цих досліджень, сучасне матеріалознавство займається дійсно цікавими та необхідними речами. І у той час, коли в багатьох інших галузях науки прогрес пов’язаний із застосуванням все більш масштабних інструментів, тут головний наголос робиться на точність виконання, докладне вивчення властивостей матеріалів та винайдення нових способів обійти обмеження, встановлені природою.

Science Advances (2018), doi: 10.1126/sciadv.1701373Science (2018), doi: 10.1126/sciadv.1701373Science (2018), doi: 10.1126/science.aar4054; Science Advances (2018), doi: 10.1126/sciadv.aao6827ACS Nano (2018), doi: 10.1021/acsnano.7b07248.

The post Непомітна революція у матеріалах: двовимірний галій, нове скло та фотоніка appeared first on Science Ukraine.

Джерело та деталі: Непомітна революція у матеріалах: двовимірний галій, нове скло та фотоніка

Місія онлайн-видання Science Ukraine є амбітною та, водночас, важливою для всього суспільства – змінити уявлення про науково-популярну журналістику в Україні; ми створюємо сучасне українське науково-популярне медіа. Ми не абстрагуємось на поверхневій інформації зі ЗМІ, а формуємо та об’єднуємо джерела. Ми навчаємось та навчаємо.

Updated: 23.03.2018 — 09:41
2012 - 2017 © Іменка - RSS новини з сайтів України | Підтримка: Діал інформаційна система | Двигунець: Wordpress | Тема: Frontier