Десятилетиями развитие электроники шло по одному главному пути: компоненты становились меньше, а устройства — мощнее. Теперь ученые ищут следующий большой прорыв в проектировании компьютерных чипов, и многие считают, что ключевую роль могут сыграть 2D-материалы.
Это сверхтонкие материалы толщиной всего в один или несколько атомных слоев. Они давно выглядят как отличные кандидаты для создания еще более миниатюрной электроники. Но новое исследование TU Wien показало: в реальных чипах многие из них могут работать не так хорошо, как ожидалось.
Проблема оказалась не только в самих 2D-материалах. Для электронных устройств им нужны изолирующие слои. И когда такой материал соединяют с изолятором, между ними появляется неизбежный зазор атомного масштаба. Он очень мал, но может заметно ухудшить работу устройства и стать серьезным препятствием для дальнейшего уменьшения чипов.
"Многие годы исследователи вполне справедливо восхищались замечательными электронными свойствами новых 2D-материалов, таких как графен или дисульфид молибдена", — говорит профессор Махди Пурфатх.
Но, по его словам, сам по себе 2D-материал еще не является электронным устройством. Ему нужен изолирующий слой, обычно оксид. И именно здесь начинается сложность.
Современные транзисторы работают за счет переключения полупроводника между проводящим и непроводящим состоянием. В будущих чипах таким полупроводником может стать ультратонкий 2D-материал. Управляет процессом электрод-затвор, отделенный от активного материала изолятором.
Чтобы устройства были маленькими и эффективными, изолирующий слой тоже должен быть очень тонким. Но команда TU Wien выяснила: во многих сочетаниях 2D-материалов и изоляторов связь между слоями слишком слабая.
"Они удерживаются вместе только так называемыми ван-дер-ваальсовыми силами, которые дают лишь слабое притяжение между полупроводником и изолятором. В результате два слоя не соприкасаются плотно — между ними всегда есть зазор", — объясняет профессор Тибор Грассер.
Этот зазор составляет около 0,14 нанометра. Он тоньше одного атома серы, но влияние на электронику может быть огромным.
"Этот зазор ослабляет емкостную связь между слоями. Какими бы хорошими ни были внутренние свойства материалов, зазор может стать ограничивающим фактором", — отмечают исследователи.
Возможным решением могут стать так называемые zipper materials — материалы, где полупроводник и изолятор соединяются значительно прочнее. Такая связь убирает проблемный зазор.
По словам ученых, это важный сигнал для индустрии: нельзя оценивать только сам 2D-материал. Активный слой и изолятор нужно проектировать вместе с самого начала. Иначе компании рискуют вложить миллиарды в направление, которое просто не сможет преодолеть базовые физические ограничения.
