Казалось бы: куда уж меньше? Оказалось – в 25 000 раз.

Транзистор из углеродной нанотрубки: внутримолекулярный переход с металлическими частями на концах и полупроводниковым ультракоротким каналом, толщиной до 3 нм между ними. Источник.

Международная группа исследователей, в состав которой входят и московские учёные, разработала методику создания транзисторов на основе так называемых нанотрубок – полых цилиндрических углеродных структур, толщиною всего до нескольких десятков нанометров, представленных в виде трубок произвольной длины.

В исследовании, опубликованном в журнале Science, говорится, что получившееся новое устройство в 25000 раз тоньше человеческого волоса. Этого удалось добиться благодаря разработке уникального инструмента, которым инженеры оборудовали электронный микроскоп,

Начавшееся пять лет назад и объединившее учёных из Японии, Китая, России и Австралии исследование вылилось, по словам соруководителя Центра материаловедения QUT профессора Дмитрия Гольберга, возглавлявшего проект, в «очень интересное фундаментальное открытие». Оно способно преобразовать методы разработок и производства транзисторов, а также характеристики будущих поколений устройств.

«В этой работе мы показали возможность управления электронными свойствами отдельной углеродной нанотрубки», – говорит профессор.

Столь крошечное электронное изделие удалось создать путём одновременного применения силы и низкого напряжения: при нагревании многослойной углеродной нанотрубки до определённой степени, внешние её оболочки начинают отделятся одна за другой, оставляя лишь один слой. После этого температура деформирует структуры упомянутого слоя: в них атомы углерода соединяются вместе, не нарушая толщину стенки в один атом. Этим самым вызывается изменение хиральности нанотрубки, что и является ключевым фактором появившихся транзисторных свойств. Именно эта хиральность – несовместимость в пространстве зеркальных молекул – «решает», чему быть проводником или полупроводником, а также насколько прочны контакты и низко сопротивление.

Результатом новой структуры, соединяющей атомы углерода в нанотрубке, она была преобразована в транзистор. Мало того – в настраиваемый транзистор.

Однако, при всей грандиозности результатов, пока не все вопросы решены. Например, по-прежнему остаётся большой проблемой контроль хиральности отдельных трубок, а ведь она единственная однозначно определяет атомную геометрию и электронную структуру. И в то же время, изменяя нагревом и деформацией локальную хиральность сегмента нанотрубки, учёным всё-таки удаётся как-то влиять на данный аспект своих молекулярных детищ. Таким изменением хиральности вдоль участков нанотрубки создаются контролируемые переходы от металла к полупроводнику, что и позволяет создать триод с каналом из полупроводниковых нанотрубок, длиной всего 2,8 нанометра и, к тому же, работающий при комнатной температуре.

Работа не стоит на месте и, нацеленные на преодоление препятствий, московские участники исследования из Национального университета науки и технологий создали теорию, объясняющую изменения атомной структуры и свойств, наблюдаемые в полученном транзисторе. Будущая её проработка должна пролить свет на более совершенную реализацию управляемой хиральности.

Ведущий автор доктор Дай-Мин Тан из Международного центра наноархитектоники материалов в Японии, начавший работу над проектом около пяти лет назад, считает, что возможность манипулировать молекулярными свойствами нанотрубки, которая уже успешно реализована в этой работе, намечает пути для нового понимания способов и переосмысления парадигм создания наноразмерных электрических устройств.

Вторя коллеге, профессор Гольберг, под началом которого доктор Тан и запустил свой проект, предвосхищает этому исследованию, демонстрирующему фундаментальную базу по созданию крошечного транзистора, большое влияние на будущее современных вычислительных технологий.

«Полупроводниковые углеродные нанотрубки перспективны для изготовления энергоэффективных нанотранзисторов для создания микропроцессоров за пределами кремния», – говорит он.

Будучи переключателями и усилителями электронных сигналов, триоды, нередко называемые «строительными блоками» всей электроники, заняли прочное место в технологическом прогрессе, став, фактически, одной из его основ – вычислительной. Да, у нас есть учёные, изобретатели, творцы и инженеры, но у нас также есть и машины-помощники, главная из которых – компьютер – своему росту целиком обязана совершенствованию транзисторных «камней» в своём фундаменте. Например, вы, наверное, слышали заявление Apple, что чип их будущего флагмана будет содержать 15 миллиардов транзисторов.

Да, на протяжении десятилетий мы всё больше уменьшали их размеры, но, как было показано в предыдущей статье, эта минимизация имеет непреодолимые физические ограничениями. Потому в последние годы многие коллективы исследователей нацелены на создание наномасштабных транзисторов, миллионы которых могли бы поместиться на головке булавки.

«Миниатюризация транзисторов до нанометрового масштаба – это серьёзная проблема современной полупроводниковой промышленности и нанотехнологий», – говорит профессор Гольберг. – Настоящее открытие, хотя и нецелесообразное для массового производства крошечных транзисторов, демонстрирует новый принцип изготовления и открывает новые горизонты использования термомеханической обработки нанотрубок для получения самых маленьких транзисторов с желаемыми характеристиками».

АРМК, по материалам Phys.org.