Вместе со Сколковским институтом науки и технологий мы сняли курс «Фотоника и квантовые материалы», посвященный изучению световых потоков и квантовых технологий. В этой лекции преподаватель магистерской программы «Фотоника и квантовые материалы» Сколтеха Василий Перебейнос рассказывает об изучении двумерных материалов и их свойств.

Сегодня будем разговаривать про квантовые материалы и начнем с истории этого вопроса. Кремниевые технологии существуют уже более пятидесяти лет, и они являются наиболее продвинутыми. Развитие этой темы ведет нас к микроэлектронике: когда мы делаем масштабирование, процессоры становятся меньше по размеру и работают лучше и быстрее. Но в какой-то момент обычные законы физики уже не работают, и происходят квантовые эффекты на длинах порядка 10 нанометров и меньше.

Я в течение 11 лет работал в компании IBM, которая долгое время была лидером в микроэлектронике. Они впервые обнаружили, что необходимо инвестировать деньги в исследования нанотехнологий, еще до того, как все этим начали заниматься, в начале 2000-х годов в Америке. Уже тогда появилась группа в IBM, которая занималась именно разработкой новых квантовых материалов для продолжения микропроцессоров. И мне очень повезло, именно в этой лаборатории я проработал 11 лет, получил опыт и его перевез в Сколтех. И здесь мы продолжаем похожие исследования, только мы работаем с двумерными материалами. Размеры двумерного материала — порядка одного или нескольких атомарных слоев.

Таких материалов существует большое множество, порядка четырех тысяч. Из них можно делать многие комбинации, и они намного меньше исследованы, чем графен. Большинство из них имеют прямую зону, то есть они очень эффективно поглощают свет. Многие исследователи во всем мире изучают эти двумерные материалы, чтобы узнать, какие их свойства и как они могут быть применены для электроники и оптоэлектроники. Почему они интересны? Потому что они дешевые в производстве, а главное, из них можно делать приборы, используя опыт, накопленный в кремниевых технологиях микропроцессоров. Мы просто переносим, один материал заменяем на другой. Кремний заменяем на какой-то из двумерных материалов. И вопрос остается: какой? В этом и заключается исследование.

Рекомендуем по этой теме:
4075
Твердое пламя и синтез материалов

Как я сказал, свойства этих материалов зависят от количества слоев, от композиции, от структуры, и их огромное количество. Расскажу о черном фосфоре. Почему он вызывает интерес исследователей? Дело в том, что он имеет ширину щели намного больше, чем у графена. Если у графена ее нет, то здесь она может быть от 0,3 электронвольта до 2 электронвольтов ― в зависимости от количества слоев. Этот материал прямозонный, и он может применяться как в электронике, так и в оптоэлектронике. Но основная проблема в том, что в обоих применениях нам нужно знать электрические свойства электронов и дырок в этом материале. Наша группа предсказала эти свойства на основе расчетов, используя квантовую химию и модель гамильтонианов, мы предсказали, как это рассеяние зависит от температуры, концентрации, электрических полей. В общем, то, как будет себя вести транзистор, построенный на основе этого материала.

Это кремниевая пластина, основа микроэлектроники, на которую наносятся различные слои, ведущие к устройствам, которые мы используем в наших сотовых телефонах, компьютерах и так далее. И то, о чем я рассказывал, касается квантовых материалов, которые могут заменить кремний для каких-то приложений. Квантовые материалы выращиваются отдельно. Скажем, на металлических подложках, как здесь показан графен. Также можно вырастить молибден дисульфид. И чтобы сделать прибор, нужно перенести этот квантовый материал на кремниевую подложку, что люди умеют делать. После того как она оказывается на этой подложке, мы можем использовать стандартные методы микроэлектроники, чтобы вырезать и сделать на них приборы. Собственно говоря, это основная мотивация для этих исследований, из-за которой изучаются именно двумерные и именно квантовые материалы, почему мы можем ожидать каких-то новых решений в технологиях с их помощью.

Рекомендуем по этой теме:
2197
Черный кремний

Существует другой класс материалов, которые являются композитами металла и, скажем, атома серы или селенида. Эти материалы также активно изучаются. У них прямая щель порядка 2 вольт, что соответствует видимому диапазону. Они очень хорошо поглощают свет. Но дело в том, что, так как это материал двумерный, энергия связи между электроном и дыркой очень сильная, что приводит к тому, что когда мы облучаем этот материал светом, то создаются экситоны с большой энергией связи. Чтобы из них сделать что-то полезное, чтобы разъединить электрон и дырку, нужно приложить электрическое поле. Чтобы определить, какое поле нужно приложить, можно сделать расчеты, также используя гамильтонианы и посчитав частичную функцию для электронов и дыр. Самое интересное, что если этот материал положить на разные подложки, например диоксид кремния или какой-то другой диэлектрик с другим потенциалом экранирования, то энергия связи будет меняться. Поэтому потребуется меньшее или большее поле для разъединения. Это исследование очень полезно для инженерии приборов на основе этих материалов.

Я рассказал только про два из них. На самом деле их целая тысяча. А самое интересное заключается в том, что их можно комбинировать, один накладывать на другой, тем самым менять их свойства. Очень важно смотреть, как они соотносятся с окружающей средой на воздухе, как они относятся к воде, как могут поменяться их свойства. И это все очень важные вопросы для потенциальных применений. Но самое важное ― нужно определить цель этих исследований, что мы хотим получить на выходе. Дело в том, что с электроникой очень сложно конкурировать. А в оптоэлектронике еще есть незанятые экономические ниши, поэтому так важна фотоника и изучение квантовых материалов. В нашем центре мы изучаем, пытаемся получить какие-то решения, которые относились бы к оптоэлектронике, будь то детекторы на инфракрасном диапазоне или какие-то решения для солнечных батарей.

Что касается перспектив, то есть такой важный аспект, как коллективные возбуждения, плазмоны. Они намного усиливают поглощение света. Скажем, если тот же графен поглощает 2%, то плазмоны поглощают намного больше света, порядка 30–60%, что намного более интересно для применения в оптоэлектронике. И та проблема, что у графена нет щелей, может решаться путем наноструктурирования графена, то есть вырезать полоски из него размером несколько десятков нанометров, что позволяет менять оптические свойства.

Так же и у всех двумерных материалов: можно менять их электрические и оптические свойства, поднося электрическое поле, перпендикулярное к нему, что будет менять концентрацию носителей. И таким образом мы можем управлять затвором, свойствами этих материалов и комбинировать их с другими похожими материалами. Возвращаясь к началу, все эти материалы совместимы с опытом, накопленным микроэлектроникой за последние 50 лет. И все, что нам надо сделать, — это перенести этот материал на пластину и применить процессы литографии, которые уже очень хорошо изучены и отлажены индустрией.