Законы квантовой физики управляют микромиром. Они определяют, например, насколько легко электроны движутся через кристалл и, таким образом, является ли материал металлом, полупроводником или диэлектриком. Квантовая физика может приводить к экзотическим свойствам в определенных материалах: в так называемых топологических изоляторах только электроны, которые могут занимать определенные квантовые состояния, могут свободно перемещаться, как безмассовые частицы, по поверхности, в то время как эта подвижность полностью отсутствует для электронов в объеме. Более того, электроны проводимости в «коже» материала обязательно поляризованы по спину и образуют устойчивые металлические поверхностные состояния, которые можно использовать в качестве каналов для возбуждения чистых спиновых токов в фемтосекундных временных масштабах (1 фс = 10 -15 с).

Эти свойства открывают захватывающие возможности для разработки новых информационных технологий на основе топологических материалов, таких как сверхбыстрая спинтроника, за счет использования спина электронов на их поверхности, а не заряда. В частности, оптическое возбуждение фемтосекундными лазерными импульсами в этих материалах представляет собой многообещающую альтернативу для реализации высокоэффективной передачи спиновой информации без потерь. Спинтронные устройства, использующие эти свойства, обладают потенциалом превосходных характеристик, поскольку они позволят увеличить скорость передачи информации до частот в тысячу раз быстрее, чем в современной электронике.

Тем не менее, прежде чем можно будет разработать устройства спинтроники, необходимо ответить на многие вопросы. Например, подробности того, как именно объемные и поверхностные электроны топологического материала реагируют на внешний стимул, то есть лазерный импульс, и степень перекрытия в их коллективном поведении в ультракоротких временных масштабах.

Команда, возглавляемая физиком из HZB доктором Хайме Санчес-Баррига (Jaime Sánchez-Barriga), теперь по-новому взглянула на такие механизмы. Команда, которая также создала Совместную исследовательскую группу в сотрудничестве с коллегами из Государственного университета им. М. В. Ломоносова, Москва, исследовала монокристаллы элементарной сурьмы (Sb), которые ранее предлагались в качестве топологического материала. «Это хорошая стратегия - изучать интересную физику в простой системе, потому что именно там мы можем надеяться понять фундаментальные принципы, - объясняет д-р Санчес-Баррига. Экспериментальная проверка топологических свойств этого материала потребовала от нас непосредственного наблюдения за его электронной структурой в высоковозбужденном состоянии с разрешением по времени, спину, энергии и импульсу, и таким образом мы получили доступ к необычной динамике электронов», - добавляет Санчес-Баррига.

Цель состояла в том, чтобы понять, как быстро возбужденные электроны в объеме и на поверхности Sb реагируют на поступление внешней энергии, и изучить механизмы, управляющие их откликом. «Управляя временной задержкой между начальным лазерным возбуждением и вторым импульсом, которая позволяет нам исследовать электронную структуру, мы смогли построить полную разрешенную во времени картину того, как возбужденные состояния покидают и возвращаются в равновесие в сверхбыстрых временных масштабах. Уникальное сочетание времени и возможностей спинового разрешения также позволило нам напрямую исследовать спиновую поляризацию возбужденных состояний, находящихся далеко от равновесия», - говорит д-р Оливер Дж. Кларк (Oliver J. Clark).

Данные демонстрируют «изгибную» структуру энергетическо-импульсной дисперсии поверхностных состояний, которую можно интерпретировать как увеличение эффективной массы электрона. Авторам удалось показать, что это увеличение массы играет решающую роль в определении сложного взаимодействия в динамическом поведении электронов из объема и поверхности, также в зависимости от их спина, после сверхбыстрого оптического возбуждения.

«Наше исследование показывает, какие существенные свойства этого класса материалов являются ключом к систематическому контролю соответствующих временных масштабов, в которых могут генерироваться и управляться спин-поляризованные токи без потерь», - объясняет Санчес-Баррига. Это важные шаги на пути к устройствам спинтроники, основанным на топологических материалах, обладающих расширенными функциональными возможностями для сверхбыстрой обработки информации.

Снимки электронной структуры Sb, полученные с фемтосекундным разрешением. Обращает внимание изменение спектрального веса выше энергии Ферми

Команда исследователей Технологического института Вирджинии из Департамента машиностроения и Института инноваций макромолекул создала новый тип мягкой электроники, открыв путь для устройств, которые являются самовосстанавливающимися, реконфигурируемыми и пригодными для вторичной переработки. Похожие на кожу цепи мягкие и эластичные, они выдерживают многочисленные повреждения под нагрузкой без потери электропроводности и могут быть переработаны для создания новых цепей в конце срока службы продукта.

Команда, возглавляемая доцентом Майклом Бартлеттом (Michael Bartlett), недавно опубликовала свои выводы в журнале с открытым доступом от Nature Research «Коммуникационные материалы».

Современные потребительские устройства, такие как телефоны и ноутбуки, содержат жесткие материалы, в которых используются спаянные провода. Мягкая схема, разработанная командой Бартлетта, заменяет эти негибкие материалы мягкими электронными композитами и крошечными электропроводящими капельками жидкого металла. Эта мягкая электроника является частью быстро развивающейся области технологий, которая придает гаджетам уровень прочности, который был невозможен всего несколько лет назад.

«Чтобы создавать схемы, мы ввели масштабируемый подход с помощью тиснения, который позволяет нам быстро получать настраиваемые схемы путем выборочного соединения капель, - сказал доктор-исследователь и первый автор Рави Тутика (Ravi Tutika). - Затем мы можем локально разделить капли, чтобы переделать цепи, и даже полностью растворить цепи, разорвав все соединения для повторного использования материалов, а затем начать с самого начала».

Цепи мягкие и гибкие, как кожа, продолжают работать даже при сильных повреждениях. Если в этих цепях пробить отверстие, капли металла все еще могут передавать энергию. Вместо того чтобы полностью перерезать соединение, как в случае с традиционным проводом, капли создают новые соединения вокруг отверстия, чтобы продолжать пропускать электричество.

Цепи также будут растягиваться без потери электрического соединения: команда во время исследования увеличила длину устройства более чем в 10 раз.

По окончании срока службы изделия металлические капли и резиноподобные материалы могут быть переработаны и возвращены в жидкий раствор, что делает их пригодными для вторичной переработки. С этого момента они могут быть переделаны, чтобы начать новую жизнь, и этот подход открывает путь к устойчивой электронике.
Хотя эластичный смартфон еще не создан, быстрое развитие в этой области также обещает носимую электронику и мягкую робототехнику. Этим новым технологиям требуются мягкие и надежные схемы для перехода в потребительские приложения.

«Мы рады нашему прогрессу и рассматриваем эти материалы как ключевые компоненты для новых мягких технологий, - сказал Бартлетт. - Эта работа приближается к созданию программных схем, способных выжить во множестве реальных приложений».

Ток проходит через цепь самовосстановления

Исследовательская группа под руководством проф. Джан-Сик Ли (Jang-Sik Lee) из Университета науки и технологий Пхохана (POSTECH) успешно разработала память на основе галогенидного перовскита со сверхбыстрой скоростью переключения. Результаты этого исследования были опубликованы в Nature Communications.

Память с резистивным переключением является многообещающим претендентом на устройство памяти следующего поколения благодаря своей простой конструкции и низкому энергопотреблению. Ранее были изучены различные материалы для резистивного переключения памяти. Среди них галогенидные перовскиты привлекают большое внимание для использования в памяти из-за низкого рабочего напряжения и высокого отношения включения / выключения. Однако устройства памяти на основе галогенидных перовскитов имеют ограничения в виде низкой скорости переключения, что препятствует их практическому применению в устройствах памяти.

Для этого исследователи из POSTECH успешно разработали запоминающие устройства со сверхбыстрым переключением с использованием галогенидных перовскитов, используя комбинированный метод расчетов из первых принципов и экспериментальную проверку. Из 696 соединений-кандидатов в галогенидные перовскиты Cs3Sb2I9 с димерной структурой был выбран как лучший кандидат для применения в памяти. Для проверки результатов расчетов были изготовлены запоминающие устройства, использующие димер-структурированный Cs3Sb2I9. Затем они работали со сверхбыстрой скоростью переключения 20 нс, что более чем в 100 раз превышало скорость запоминающих устройств, в которых использовался Cs3Sb2I9 со слоистой структурой. Кроме того, многие перовскиты содержат свинец (Pb) в материалах, что вызывает серьезную озабоченность. Однако в этой работе использование перовскита, не содержащего свинца, устраняет такие экологические проблемы.

«Это исследование представляет собой важный шаг на пути к разработке резистивной переключаемой памяти, которая может работать со сверхбыстрой скоростью переключения», - отметил профессор Ли по поводу важности исследования. Он добавил: «Эта работа дает возможность создавать новые материалы для устройств памяти на основе расчетов и экспериментальной проверки».

Исследователи из Университета Линчёпинга разработали метод, который может привести к созданию новых типов дисплеев на основе структурных цветов. Открытие открывает путь к дешевым и энергоэффективным цветным дисплеям и электронным этикеткам. Исследование опубликовано в научном журнале Advanced Materials.

Обычно мы думаем о цветах как о созданных пигментами, которые поглощают свет на определенных длинах волн, так что мы воспринимаем цвет от других длин волн, которые рассеиваются и достигают наших глаз. Вот почему, например, листья зеленые, а помидоры красные. Но цвета можно создавать и другими способами, и некоторые материалы кажутся цветными из-за своей структуры. Структурные цвета могут возникать, когда свет отражается внутри материала в масштабе нанометров. Обычно это называют интерференционными эффектами. Примером, встречающимся в природе, являются павлиньи перья, которые в основном коричневые, но приобретают свой характерный сине-зеленый блеск из-за небольших структурных особенностей.

Исследователи из Университета Линчёпинга разработали новый и простой метод создания структурных цветов для использования с отражающими цветными дисплеями. Новый метод может позволить изготавливать тонкие и легкие дисплеи с высокой энергоэффективностью для широкого спектра приложений.

Светоотражающие цветные дисплеи отличаются от цветных дисплеев, которые мы видим в повседневной жизни на таких устройствах, как мобильные телефоны и компьютеры. Последние состоят из небольших светодиодов красного, зеленого и синего цветов, расположенных близко друг к другу, так что вместе они создают белый свет. Цвет каждого светодиода зависит от молекул, из которых он построен, или, другими словами, от его пигмента. Однако производство светодиодов относительно дорогое, а глобальное использование излучающих дисплеев требует больших затрат энергии. Поэтому другой тип дисплеев, отражающие дисплеи, исследуется для использования в планшетных компьютерах, электронных книгах и в электронных этикетках. Отражающие дисплеи формируют изображения, управляя отражением падающего света из окружающей среды. Это означает, что им не нужен собственный источник освещения. Однако большинство светоотражающих дисплеев по своей природе монохромны, и попытки создать цветные версии были довольно сложными и иногда приводили к плохим результатам.

Шанжи Чень (Shangzhi Chen) - недавно назначенный доктор в Лаборатории органической электроники Университета Линчёпинга и главный автор статьи, описывающей новый тип динамического структурного цветного изображения, опубликованной в научном журнале Advanced Materials.

«Мы разработали простой метод получения структурных цветных изображений с использованием электропроводящих пластиков или проводящих полимеров. Полимер наносят на зеркало наноразмерной толщины с помощью метода, известного как парофазная полимеризация, после того, как подложка была освещена ультрафиолетовым светом.

Чем сильнее УФ-излучение, тем толще полимерная пленка, и это позволяет нам контролировать структурные цвета, которые появляются в разных местах на подложке», - говорит Шанжи Чень.

Метод позволяет получать все цвета видимого спектра. Кроме того, цвета можно впоследствии регулировать, используя электрохимическое изменение окислительно-восстановительного состояния полимера. Эта функция была популярна для монохромных отражающих дисплеев, и новое исследование показывает, что одни и те же материалы могут обеспечивать динамические цветные изображения с использованием эффектов оптической интерференции в сочетании с пространственным контролем наноразмерной толщины. Магнус Йонссон (Magnus Jonsson), доцент лаборатории органической электроники Университета Линчёпинга, считает, что этот метод имеет большой потенциал, например, для таких приложений, как цветные электронные этикетки. Дальнейшие исследования могут также позволить производить более совершенные дисплеи.

«Мы получаем все больший объем информации через цифровые дисплеи, и если мы сможем способствовать тому, чтобы большее количество людей получило доступ к информации с помощью дешевых и энергоэффективных дисплеев, это было бы большим преимуществом. Но еще предстоит провести много исследований, и новые проекты уже в процессе», - говорит доц. Магнус Йонссон.

Магнус Йонссон (слева) и Шанжи Чень в лаборатории

Международная группа физиков под руководством Университета Миннесоты обнаружила, что уникальный сверхпроводящий металл более эластичен, когда используется в форме очень тонкого слоя. Исследование является первым шагом к более широкой цели понимания нетрадиционных сверхпроводящих состояний в материалах, которые, возможно, могут быть использованы в квантовых вычислениях в будущем.

В этом сотрудничестве участвуют четыре преподавателя факультета физики и астрономии Миннесотского университета - доцент Влад Прибяг, профессор Рафаэль Фернандес (Rafael Fernandes), доценты Фиона Бернелл (Fiona Burnell) и Ке Ван (Ke Wang), а также физики из Корнельского университета и ряда других учреждений. Исследование публикуется в Nature Physics, ежемесячном рецензируемом научном журнале, издаваемом Nature Research.

Диселенид ниобия (NbSe2) является сверхпроводящим металлом. Нередко материалы ведут себя по-разному, когда они очень малых размеров, но NbSe2 имеет потенциально полезные свойства. Исследователи обнаружили, что материал в 2D-форме (очень тонкая подложка толщиной всего в несколько атомных слоев) является более упругим сверхпроводником, поскольку он имеет двойную симметрию, которая сильно отличается от более толстых образцов того же материала.

Вдохновленные теоретическим предсказанием Фернандеса и Бернелла об экзотической сверхпроводимости в этом двумерном материале, Прибяг и Ван начали исследовать атомно-тонкие двумерные сверхпроводящие устройства.

«Мы ожидали, что у него будет шестикратная вращательная симметрия, как у снежинки, - сказал Ван. - Несмотря на шестикратную структуру, в эксперименте материал показал только двукратное поведение».

«Это был один из первых случаев, когда [это явление] было замечено в реальных материалах», - сказал Прибяг.

Исследователи объяснили недавно обнаруженную двукратную вращательную симметрию сверхпроводящего состояния в NbSe2 смешением двух тесно конкурирующих типов сверхпроводимости, а именно обычного s-волнового состояния, типичного для объемного NbSe2, и нетрадиционного состояния d- или p-типа, возникающего в многослойном NbSe2. Два типа сверхпроводимости имеют очень близкие энергии в этой системе. Из-за этого они взаимодействуют и соревнуются друг с другом.

Прибяг и Ван сказали, что позже они узнали, что ученые из Корнельского университета изучали ту же физику, используя другую экспериментальную технику, а именно измерения квантового туннелирования. Они решили объединить свои результаты с исследованием Корнелла и опубликовать всеобъемлющее исследование.

Бернелл, Прибяг и Ван планируют использовать эти первоначальные результаты для дальнейшего исследования свойств атомарно тонкого NbSe2 в сочетании с другими экзотическими 2D-материалами, что в конечном итоге может привести к использованию нетрадиционных сверхпроводящих состояний, таких как топологическая сверхпроводимость, для создания квантовых компьютеров.

«Нам нужен полностью плоский интерфейс атомарного масштаба, - сказал Прибяг. - Мы считаем, что эта система сможет предоставить нам лучшую платформу для изучения материалов, чтобы использовать их в приложениях квантовых вычислений».

Группа физиков из Университета Миннесоты обнаружила, что уникальный сверхпроводящий металл диселенид ниобия (NbSe2) более эластичен при использовании в качестве очень тонкого слоя. На приведенной выше диаграмме показаны различные s-, p- и d-волновые сверхпроводящие состояния в металле

Исследования, проведенные Кентским университетом и лабораторией Резерфорда – Эпплтона, управляемой STFC (Science and Technology Facilities Council), привели к открытию нового редкого топологического сверхпроводника LaPt₃P. Это открытие может иметь огромное значение для будущих операций квантовых компьютеров.

Сверхпроводники проявляют квантовые свойства в масштабе обычных объектов, что делает их очень привлекательными кандидатами для создания компьютеров, которые используют квантовую физику для хранения данных и выполнения вычислительных операций, и могут значительно превосходить даже лучшие суперкомпьютеры в определенных задачах. В результате ведущие технологические компании, такие как Google, IBM и Microsoft, постоянно стремятся создавать квантовые компьютеры в промышленных масштабах с использованием сверхпроводников.

Однако элементарные блоки квантовых компьютеров (кубиты) чрезвычайно чувствительны и теряют свои квантовые свойства из-за электромагнитных полей, тепла и столкновений с молекулами воздуха. Защита от них может быть достигнута путем создания более устойчивых кубитов с использованием специального класса сверхпроводников, называемых топологическими сверхпроводниками, которые помимо того, что являются сверхпроводниками, также содержат защищенные металлические состояния на своих границах или поверхностях.

Топологические сверхпроводники, такие как LaPt₃P, недавно обнаруженные в результате экспериментов по релаксации спина мюонов и обширного теоретического анализа, исключительно редки и представляют огромную ценность для будущей индустрии квантовых вычислений.

Чтобы гарантировать, что его свойства не зависят от образца и прибора, в Уорикском университете и в ETH Zurich были подготовлены два разных набора образцов. Затем мюонные эксперименты были выполнены на мюонных установках двух различных типов: в импульсном нейтронном источнике ISIS и источнике мюонов в лаборатории Резерфорда - Эпплтона STFC и в PSI, Швейцария.

Доктор Судип Кумар Гош (Sudeep Kumar Ghosh), научный сотрудник Leverhulme в Кенте и главный исследователь, сказал: «Это открытие топологического сверхпроводника LaPt₃P имеет огромный потенциал в области квантовых вычислений. Открытие такого редкого и желанного компонента демонстрирует важность исследования мюонов для повседневного мира вокруг нас».

Органические полупроводники заработали репутацию энергоэффективных материалов в органических светодиодах (OLED), которые используются уже массово в дисплеях. В этих и других приложениях, таких как солнечные элементы, ключевым параметром является энергетический зазор между электронными состояниями. Он определяет длину волны излучаемого или поглощаемого света. Желательна непрерывная регулировка этого энергетического зазора. Действительно, для неорганических материалов уже существует соответствующий метод - так называемое смешивание. Он основан на создании ширины запрещенной зоны путем замещения атомов в материале. Это обеспечивает возможность непрерывной перестройки, как, например, в полупроводниках из арсенида алюминия-галлия. К сожалению, это не может быть перенесено на органические полупроводники из-за их различных физических характеристик и парадигмы построения на основе молекул, что значительно затрудняет настройку непрерывной запрещенной зоны.

Тем не менее, ученые из «Центра передовой электроники» в Дрездене (CFAED, TU Dresden) и кластера передового опыта «э-преобразования» в Мюнхенском университете вместе с партнерами из Вюрцбургского, Берлинского и Ульмского университетов впервые реализовали технологию создания запрещенной зоны для органических полупроводников путем смешивания.

Для неорганических полупроводников уровни энергии могут быть сдвинуты друг к другу за счет атомных замещений, тем самым уменьшая ширину запрещенной зоны («инженерия запрещенной зоны»). Напротив, модификации зонной структуры путем смешивания органических материалов могут только согласованно сдвинуть уровни энергии вверх или вниз. Это связано с сильными кулоновскими эффектами, которые можно использовать в органических материалах, но это не влияет на щель. «Было бы очень интересно также изменить щель органических материалов путем смешивания, чтобы избежать длительного синтеза новых молекул», - говорит профессор Карл Лео (Karl Leo) из Технического университета Дрездена.

Теперь исследователи нашли нетрадиционный способ смешивания материала со смесями похожих молекул, различающихся по размеру. «Ключевой вывод заключается в том, что все молекулы выстраиваются в определенные структуры, которые допускаются их молекулярной формой и размером, - объясняет Франк Ортманн (Frank Ortmann), профессор Мюнхенского технического университета и руководитель группы Центра передовой электроники в Дрездене (CFAED, TU Dresden). - Это вызывает желаемое изменение диэлектрической проницаемости материала и энергии щели».

Группа Фрэнка Ортмана смогла прояснить механизм, моделируя структуру смешанных пленок и их электронные и диэлектрические свойства. Соответствующее изменение молекулярной упаковки в зависимости от формы смешанных молекул было подтверждено измерениями рассеяния рентгеновских лучей, выполненными группой Organic Devices Group профессора Стефана Маннсфельда (Stefan Mannsfeld) в CFAED.

Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Nature Materials. Хотя это доказывает осуществимость такого типа инженерной стратегии на уровне энергии, ее применение будет изучено для оптоэлектронных устройств в будущем.

Изменение соотношения молекул 3T (на переднем плане) и молекул 6T (указано на заднем плане) в смеси позволяет непрерывно настраивать энергетическую щель

Спрос на гибкую носимую электронику резко вырос в связи с резким ростом интеллектуальных устройств, которые могут обмениваться данными с другими устройствами через Интернет с помощью встроенных датчиков, программного обеспечения и других технологий. Следовательно, исследователи сосредоточились на изучении гибких устройств хранения энергии, таких как гибкие суперконденсаторы (FSC), которые легки и безопасны и просто интегрируются с другими устройствами. FSC имеют высокую удельную мощность и высокую скорость зарядки и разрядки.

Печатная электроника, производство электронных устройств и систем с использованием традиционных методов печати оказались экономичной, простой и масштабируемой стратегией для изготовления FSC. Традиционные методы микропроизводства могут быть дорогими и сложными.

В Applied Physics Reviews от AIP Publishing исследователи из Уханьского университета и Хунаньского университета предоставляют обзор печатных FSC с точки зрения их способности создавать функциональные чернила, разрабатывать электроды для печати и интегрировать функции с другими электронными устройствами.

Печатные FSC обычно производятся путем печати функциональных красок на традиционных органических и неорганических материалах электродов на гибких подложках. Благодаря тонкопленочной структуре эти печатные устройства можно сгибать, растягивать и скручивать до определенного радиуса без потери электрохимической функции.

Кроме того, жесткие компоненты токосъемника суперконденсатора также могут быть заменены гибкими печатными деталями. Различные методы печати, такие как трафаретная печать, струйная печать и 3D-печать, хорошо зарекомендовали себя для изготовления печатных FSC.

«Разработка миниатюрных гибких и плоских высокопроизводительных электрохимических накопителей энергии является насущной необходимостью для содействия быстрому развитию портативных электронных устройств в повседневной жизни, - сказал автор Ву Вэй (Wu Wei). - Мы можем представить, что в будущем мы сможем использовать любой принтер в нашей жизни и можем напечатать суперконденсатор для зарядки мобильного телефона или смарт-браслета в любое время».

Исследователи обнаружили, что для составов чернил для печати необходимо соблюдать два принципа. Во-первых, при выборе компонентов чернил жизненно важно включать меньше неэффективных добавок, больше проводящих связующих и отличных материалов для дисперсионных электродов. Во-вторых, чернила должны иметь подходящую вязкость и хорошие реологические свойства для получения отличных отпечатков.

Функциональные материалы, пригодные для печати, такие как графен и псевдоемкостные материалы, являются хорошими основными компонентами печатных суперконденсаторов.

Поскольку печатная электроника предлагает преимущество гибкости и низкой стоимости, ее можно использовать для производства солнечных элементов, гибких OLED-дисплеев, транзисторов, RFID-меток и других интегрированных интеллектуальных устройств. Это открывает возможности для многих других приложений, включая интеллектуальный текстиль, интеллектуальную упаковку и интеллектуальные этикетки.

Печатный гибкий суперконденсатор с индивидуальными рисунками

Команда, возглавляемая Томасом Шиллом (Thomas Shiell) и Тимоти Штробелем (Timothy Strobel) из Карнеги, разработала метод синтеза новой кристаллической формы кремния с гексагональной структурой, которая потенциально может быть использована для создания электронных и энергетических устройств следующего поколения с улучшенными свойствами, превосходящими «обычные» кубические формы, используемая сегодня.

Кремний играет огромную роль в жизни человека. Это второй по распространенности элемент в земной коре. В сочетании с другими элементами он необходим для многих строительных и инфраструктурных проектов. Он настолько важен для вычислений, что давний технологический центр США - Кремниевая долина в Калифорнии - получил прозвище в честь него.

Как и все элементы, кремний может принимать различные кристаллические формы, называемые аллотропами, точно так же, как мягкий графит и сверхтвердый алмаз являются формами углерода. Форма кремния, наиболее часто используемая в электронных устройствах, включая компьютеры и солнечные панели, имеет ту же структуру, что и алмаз. Несмотря на повсеместное распространение, эта форма кремния на самом деле не полностью оптимизирована для приложений следующего поколения, включая высокопроизводительные транзисторы и некоторые фотоэлектрические устройства.

Хотя теоретически возможно множество различных аллотропов кремния с улучшенными физическими свойствами, на практике существует лишь несколько из них, учитывая отсутствие известных путей синтеза, доступных в настоящее время.

Лаборатория Штробеля ранее разработала революционно новую форму кремния, названную Si24, которая имеет открытый каркас, состоящий из серии одномерных каналов. В этой новой работе Шиелл и Штробель возглавили команду, которая использовала Si24 в качестве отправной точки в многоступенчатом синтезе, результатом которого стали высокоориентированные кристаллы в форме, названной в честь четырех повторяющихся слоев в гексагональной структуре 4H-кремнием.

«Интерес к гексагональному кремнию возник еще в 1960-х годах из-за возможности настраиваемых электронных свойств, которые могли бы улучшить характеристики сверх кубической формы», - пояснил Штробель.

Гексагональные формы кремния были синтезированы ранее, но только путем осаждения тонких пленок или в виде нанокристаллов, сосуществующих с неупорядоченным материалом. Недавно продемонстрированный способ Si24 дает первые высококачественные объемные кристаллы, которые служат основой для будущих исследований.

Используя усовершенствованный вычислительный инструмент под названием PALLAS, который ранее был разработан членами команды для прогнозирования путей структурного перехода, группа смогла понять механизм перехода от Si24 к 4H-Si, и структурные отношения, которые позволяют сохранять высокоориентированные кристаллы продукта.

«Помимо расширения нашего фундаментального контроля над синтезом новых структур, открытие объемных кристаллов 4H-кремния открывает дверь в захватывающие перспективы будущих исследований для настройки оптических и электронных свойств посредством инженерии деформаций и элементного замещения, - сказал Шиелл. - Мы могли бы потенциально использовать этот метод для создания затравочных кристаллов для выращивания больших объемов структуры 4H со свойствами, которые потенциально превосходят свойства алмазного кремния».

Визуализация структуры 4H-Si перпендикулярно гексагональной оси. Микрофотография просвечивающего электронного микроскопа, показывающая последовательность укладки, отображается на заднем плане

Исследовательская компания в Сингапуре использует термин динамическая флэш-память (Dynamic Flash Memory, DFM), хотя память является энергозависимой. Преимущества перед обычным 1T-1C DRAM включают более высокую плотность, скорость, более длительный период обновления, и исследовательская компания ищет партнерские отношения, чтобы продемонстрировать легкость внедрения DFM в качестве замены DRAM.

Unisantis Electronics также подчеркивает, что в отличие от так называемых новых технологий энергонезависимой памяти, таких как MRAM, ReRAM, FRAM и PCM, DFM не требует добавления дополнительных материалов помимо стандартного процесса CMOS. Однако следует отметить, что есть некоторые сегнетоэлектрические технологии и технологии ReRAM, которые также относятся к этой категории.

DFM был представлен в документе под названием «Динамическая флэш-память с двойным затвором, окружающим затворный транзистор (SGT)» на 13-м Международном семинаре по памяти IEEE (IMW) его изобретателями, Кодзи Сакуи (Koji Sakui) и Нодзому Харада (Nozomu Harada) из Unisantis. Тем не менее, похоже, что это в основном теоретическая статья, не привязанная к конкретной реализации кремния или технологическому узлу. Компания заявляет, что технология подходит как для автономных, так и для встроенных приложений памяти.

В Unisantis заявили, что, поскольку DFM не полагается на конденсаторы для сохранения своего состояния, у нее меньше путей утечки. Заряд хранится по длине вертикального транзистора, который имеет соотношение сторон 50:1 в процессе производства DRAM 20 нм. Вертикальный транзистор предлагает более высокую плотность по сравнению с обычными DRAM и возможность доступа через точку. Это также позволяет стирать блоки аналогично флэш-памяти. Компания утверждает, что все это приводит к значительному увеличению скорости и снижению энергопотребления по сравнению с DRAM.
Сакуи сообщил eeNews Europe, что существует возможность продлить период обновления во многих случаях до 100 раз, при использовании DFM, по крайней мере, до секунд.

Перекрестный доступ к массиву вертикальных транзисторов дает 4F2 области ячеек памяти. Источник: Unisantis Electronics