Кислородная подушка для IoT. Как плазма стала диэлектриком.

Изображение Public Domain 

Интернет Вещей явился для человечества тем новшеством, которое развеяло предположения, будто бы интернет, ставший вершиной достижений в обмене информацией, пригоден только для развлечений, общения и работы. Сегодня, по крайней мере в нашей стране, немногие люди пользуются соответствующими устройствами ввиду стоимости технологии и её пока ещё скромных возможностей. Но как сейчас мы уже не обратим внимания на телефон без камеры, интернета, кинозала, кошелька, радио, фонарика и бог весть чего ещё, так и молодёжь будущего не поймёт почему ваша машина не прогревается к означенному времени или не может подключиться к автосервису для удалённой диагностики.

Да, технология всё ещё молода и многому просто не научена, а кое-чего вообще не в состоянии сделать. Но команда исследователей профессора технологического университета Квинсленда (QUT) украинско-австралийского физика Константина (Кен) Острикова из Школы химии и физики и Центра материаловедения QUT разработала новый материал, который может быть полезен при разработках модифицированных транзисторных устройств для электроники и фотодетекторов для волоконно-оптических систем связи, зондирования окружающей среды и других приложений подобного толка. Образно говоря, эта разработка может наделить IoT-устройства возможностями, которых им так недоставало. 

Поясняя суть изобретения, профессор Остриков, напоминает, что транзисторы выполняют роль крошечных электрических переключателей в процессорах и прочих компьютерных микросхемах. Они управляют осветительными устройствами вроде светодиодов и фотодетекторами, призванными обнаруживать свет разных спектров (цветов) и интенсивности. Но штука в том, что всё вышеперечисленное является элементами сенсорных и коммуникационных устройств в Интернете Вещей, которые представляют собой уже следующее поколение интеллектуальных устройств.

Так вот «новый материал, который мы разработали, – подводит он итог – позволит интеллектуальным устройствам быстрее обрабатывать информацию и лучше общаться друг с другом, принимать решения и действовать».

Академик уверен: «Всё – от космических путешествий до здравоохранения и от умных городов до наших домов, – потенциально выиграет от этого материала».

Производство двумерных сверхтонких транзисторов сопровождается не только довольно приличными затратами, но и некоторыми сложностями самого процесса. Дело в том, что двумерные атомно-кристаллические сверхрешётки объединяют разнообразные слоистые 2D-материалы, что позволяет регулировать электронные и оптические свойства изделий. Однако строгое соблюдение зазоров меду слоями и настройка межслоевых взаимодействий до сих пор остаются непростыми и трудоёмкими задачами.

Например, методы изготовления, основанные на послойном отшелушивании и переносе (кстати, наиболее распространённые) при всей своей ограниченности требуют ещё и большого количества времени. Да и производительность их весьма невелика. А так называемое химическое осаждение из газовой фазы – хоть и применяется довольно успешно в создании высококачественных 2D-гетероструктур и сверхрешёток с боковой поверхностью, – проявляет некоторые неточности роста и укладки, что делает его непрактичным для вертикальных сверхрешёток высокого порядка.

Назначением нового полупроводникового материала как раз и стало упрощение и более гибкая настраиваемость разделения слоёв атомарно тонких полупроводников с атомами кислорода между этими слоями. 

«Обычно очень трудно поместить молекулы кислорода между слоями, поэтому мы использовали плазму и плазменные электрические поля, чтобы заряжать молекулы кислорода, а затем заставляли их сжиматься между двумя слоями, поднимая верхний слой от нижнего» – поясняет академик Остриков.

Использование интеркаляции (обратимого внедрения) мягкой кислородной плазмы (ионизированного газа) при разделении двух атомных слоёв формирует слой стабильного молекулярного кислорода. Это происходит благодаря ван-дер-ваальсовым взаимодействиям самого кислорода с соседними монослоями дихалькогенидов переходных металлов. Результирующее расширение межслоевой щели эффективно раздвигает указанные монослои, позволяя им быть электрически изолированными друг от друга. Таким образом электроны могут течь вдоль каждого двумерного слоя, не теряясь в виде утечек в соседний.

«Этот процесс привёл к появлению новых свойств», – признаётся руководитель проекта. Так, учёные обнаружили в 100 раз более сильную фотолюминесценцию и фототок, столь же превосходящий обычные случаи. На них стоило бы остановиться подробнее, и это хорошая тема для следующего исследования, но в рамках настоящей статьи можно просто упомянуть о перспективах этих явлений: они могут обеспечить большую управляемость и достижимые токи в устройствах, а так же дозы света и скорость реакции, столь труднодостижимые в настоящее время.

«Этот новый материал может сделать Интернет вещей и другие устройства более эффективными, быстрыми и дешёвыми в производстве», – считают исследователи.

АРМК, по материалам Nature Communications.