`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

IBM на пути к титулу Nanoconstruction Company

Статья опубликована в №11 (628) от 18 марта

+11
голос

На протяжении минувших двух недель IBM Research рапортовала о новых достижениях в области изучения материи на атомарном уровне. На этот раз речь идет о фундаментальных научных достижениях, значение которых сложно переоценить.

IBM на пути к титулу Nanoconstruction Company
Распределение энергии при перемещении атома кобальта по медной поверхности. Стрелками показаны силы, которые действуют на управляющий молекулами наконечник AFM

Напомним, что в прошлом сентябре IBM также представила два важных результата в области наноэлектроники: сообщила об измерении характеристики индивидуального атома, называемой магнитной анизотропией, и описала возможность переключения одиночной молекулы между состояниями «включено» и «выключено».

На этот раз сотрудники IBM с коллегами из Университета Регенсбурга (Германия) впервые смогли измерить значение силы, которую требуется приложить к отдельным атомам для их перемещения по поверхности вещества. Полученная методика крайне важна для проектирования новых наноустройств – миниатюрных компьютерных микросхем, накопителей и многого другого.

IBM на пути к титулу Nanoconstruction Company
IBM на пути к титулу Nanoconstruction Company
Расстояние между наконечником микроскопа и атомами на поверхности определяется по частоте колебаний «tuning fork», миниатюрной вилочки на конце микроскопа

Около двадцати лет назад в Альмаденском научно-исследовательском центре IBM (IBM Almaden Research Center) в Сан-Хосе, в расположенной на холмах Кремниевой Долины небольшой лаборатории, оснащенной высокотехнологичным оборудованием, ученому Дону Айглеру (Don Eigler), нынешнему обладателю титула IBM Fellow, удалось достичь важного поворотного пункта на пути человечества к конструированию микроструктур. 29 сентября 1989 г. он впервые в истории продемонстрировал способность манипулировать отдельными атомами с точностью атомарного уровня, составив из отдельных атомов ксенона буквы «I-B-M», которые уже вошли в историю.

В наши дни новое поколение исследователей в той же самой лаборатории добилось очередного важного успеха на этом пути – они измерили величину силы, требуемую для манипулирования атомами. Описание этого научного достижения опубликовано 21 февраля в журнале Science.

«Полученный результат позволит получать важнейшую информацию, необходимую для проектирования и производства структур атомарного масштаба, что, в свою очередь, будет способствовать приближению эры сверхминиатюрных устройств хранения данных и модулей памяти, – отмечает Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich), ведущий ученый лаборатории исследований с использованием сканирующего туннельного микроскопа центра IBM Almaden Research Center. – Наша миссия состоит в создании основы для того, что когда-нибудь может быть названо IBM Nanoconstruction Company».

IBM на пути к титулу Nanoconstruction Company
Измерение силы, необходимой для помещения атома кобальта в поверхность кристалла, производит атомно-силовой микроскоп (AFM). Эти данные являются одним из ключей к проектированию и созданию наноструктур

В статье, озаглавленной «The Force Needed to Move an Atom on a Surface» («Сила, необходимая для перемещения атома по поверхности вещества»), ученые приводят полученные результаты измерений. В частности, сообщается, что для передвижения атома кобальта по гладкой поверхности платинового образца требуется приложить силу в 210 пН (пиконьютон), тогда как для той же процедуры с атомом кобальта по медной поверхности – лишь в 17 пН. Таким образом (переводя эти результаты на макроскопический уровень), чтобы «сдвинуть с места» медную одноцентовую монетку весом всего 3 г, нужно приложить 30 млрд пН, что в 2 млрд раз превышает силу, необходимую для перемещения одного атома кобальта по медной поверхности.

Ученые обнаружили, что величина силы варьируется в широких пределах в зависимости от конкретного вещества, используемого в качестве экспериментальной поверхности. Этот показатель также в значительной степени определяется тем, что является точкой приложения для манипулирования – одиночный атом или небольшая молекула.

Данное научное достижение сочетает в себе две методики сверхвысокого уровня точности и эффективности – измерение значений силы и перемещение атомов/молекул на поверхности вещества. Стоит напомнить, что эта работа основывается на многолетнем опыте исследований и разработок IBM в области атомно-силовой микроскопии – AFM-микроскоп был изобретен более 20 лет назад Нобелевским лауреатом и обладателем титула IBM Fellow Гердом Биннигом (Gerd Binnig), ученым из IBM Кристофом Гербером (Christoph Gerber) и профессором Стэнфордского университета Келвином Квейтом (Calvin Quate).

Как известно, атомно-силовой микроскоп использует зонд в виде сверхтонкой иглы, вмонтированный в гибкую конструкцию манипулятора, которая позволяет осуществлять взаимодействие между иглой зонда и атомами на поверхности вещества, и измерять параметры этого взаимодействия. В описываемом опыте эта гибкая конструкция была оборудована миниатюрным кварцевым резонатором – по типу эталонного генератора стабильной частоты, широко применяемого в настольных и наручных часах. Когда игла зонда позиционировалась в непосредственной близости от атома на поверхности образца, частота кварцевого генератора варьировалась в небольших пределах. Изменение частоты можно проанализировать для определения силы, приложенной к атому. «Поразительно, что этот инструмент, в котором используется кварцевый генератор от обычных часов, может быть применен для измерения сил между отдельными атомами», – отмечает профессор Франц Гиссибл (Franz Giessibl) из Университета Регенсбурга.

А вот на прошлой неделе IBM сообщила об открытии, которое даст возможность успешно бороться с труднейшей проблемой электронной индустрии, связанной с использованием графита в качестве материала для создания наноэлектронных схем. Ученые компании впервые нашли способ подавления паразитных помех электрических сигналов, достигаемого при миниатюризации до длины всего в несколько атомов образца графена – двухмерного кристалла, состоящего из одинарного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную кристаллическую решетку.

IBM на пути к титулу Nanoconstruction Company
При прохождении электрического сигнала через графен возникает шум от колебаний составляющих его атомов углерода, который становится недопустимо сильным в масштабах наноэлектроники (слева). Ученые IBM впервые продемонстрировали, что добавление второго листа Graphene значительно уменьшает этот шум (справа)

Одна из проблем использования подобных наноустройств – обратно пропорциональная зависимость между их размером и мощностью генерируемого ими неуправляемого электрического шума. Иными словами, чем миниатюрнее становятся объекты, тем интенсивнее электрический шум: возрастает заряд электричества, проходящего через вещество (материал) и вызывающего помехи, негативно влияющие на его характеристики и ограничивающие полезное применение. Такая зависимость, известная как закон Хуга (Hooge's rule), справедлива как для полупроводниковых элементов на основе традиционного кремния, так и для сверхминиатюрных устройств на базе графеновых «нанопленок» и углеродных нанотрубок.

Ученые из IBM обнаружили, что электрический шум в полупроводниковых элементах на основе графена может быть фактически подавлен. Этот результат опубликован в журнале Nano Letters.

Сначала в своих экспериментах ученые использовали один слой (или пленку) графена для создания транзистора; при этом еще раз было подтверждено, что на полученный полупроводник распространяется правило Хуга – действительно, по мере уменьшения размеров электронного устройства пропорционально увеличивается генерируемый им шум.

Тем не менее, когда исследователи из IBM создали такой же элемент с двумя слоями графена вместо одного (расположенными друг над другом), они отметили, что электрический шум подавляется. Мощность помех была в достаточной степени невелика, и это дает основание предположить, что так называемые двухслойные графеновые полоски (bilayer graphene ribbons) смогут доказать свою пригодность для создания полупроводниковых элементов. Последние, в свою очередь, найдут широкое применение в телекоммуникациях, компьютерных системах и других электронных устройствах. Паразитный шум подавляется благодаря сильной электрической связи между двумя слоями графена, которая нейтрализует влияние источников помех. Такая структура, проще говоря, функционирует как своеобразный шумоизолятор.

Несмотря на то, что для углубленного изучения описанных выше феноменов потребуются дополнительные исследования и анализ, последние достижения ученых IBM открывают большие перспективы в производстве полупроводниковых элементов следующего поколения.

+11
голос

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT