| 0 |
|
Дослідники з Коледжу дизайну та інженерії Національного університету Сингапуру (NUS CDE) визначили ключовий принцип проєктування надійних електронних компонентів із матеріалів завтовшки всього в один атом. Це відкриття дає інженерам чітке розуміння того, як контролювати небажані витоки струму в ультрамалих пристроях майбутнього.
Результати дослідження спростовують давнє припущення про те, що продуктивність та ізоляційні властивості наночипів визначаються виключно вибором самого матеріалу.
«На цьому екстремально малому масштабі ми довели, що мікроскопічні фізичні зазори між електродами можуть важити більше, ніж власна здатність матеріалу блокувати електричний струм», - пояснює доцент Маріо Ланца (Mario Lanza) з Департаменту матеріалознавства та інженерії NUS, який очолював дослідження. - «Щоб проєктувати надійні передові процесори, технології пам'яті та інші компоненти наступного покоління, ми повинні розглядати всю структуру в комплексі - зокрема те, як саме матеріал прилягає до електродів, і реальну відстань, яку доводиться долати електронам».
Наукова праця була опублікована в журналі Nature Materials.
Так звані двовимірні (2D) матеріали відкривають перед людством можливість створювати електроніку, яка є значно тоншою за будь-які традиційні кремнієві рішення. Проте коли товщина шару зменшується до меж одного атома, електрика починає поводитися непередбачувано. На арену виходить квантове тунелювання - процес, за якого електрони буквально «просочуються» крізь бар'єри, що мали б їх зупиняти. Це створює паразитарні витоки струму, які погіршують роботу чипа.
Команда під керівництвом NUS виявила, що цей витік критично залежить від якості збирання пристрою. Якщо атомарно тонкий матеріал накладається на бодай мінімально нерівну металеву поверхню, між ним і електродом утворюються мікроскопічні порожнечі. Ці повітряні зазори змінюють фактичну відстань, яку мають подолати електрони, що кардинально міняє обсяг витоку струму.
Цей аналіз нарешті пояснює, чому попередні світові експерименти з аналогічними наноматеріалами часто давали абсолютно різні та суперечливі результати. Пристрої, які виглядали ідентично, насправді мали різні мікрозазори на стиках контактів.
«Один із найдивовижніших уроків цієї роботи полягає в тому, що класичні уявлення про ізоляційні матеріали руйнуються на атомарному рівні», - зазначає доктор Юе Юань (Yue Yuan), перший автор дослідження. - «Коли товщина матеріалу становить менше одного нанометра, навіть мізерна зміна фізичної відстані має колосальний вплив на те, наскільки легко електрони пробивають цей бар'єр».
Під час тестів автори досліджували кілька перспективних 2D-матеріалів, зокрема гексагональний нітрид бору, дисульфід молібдену та дисульфід вольфраму.
Традиційно гексагональний нітрид бору вважається потужним діелектриком (ізолятором). Проте вчені з'ясували, що у формі моношару (в один атом завтовшки) він пропускає більше струму, ніж дисульфіди молібдену чи вольфраму, які мають слабші ізоляційні властивості. Причина виявилася суто фізичною: моношар нітриду бору є набагато тоншим, через що електронам потрібно подолати значно меншу дистанцію для квантового тунелювання.
Щоб детально відстежити природу витоків, науковці об'єднали нанорозмірні електричні вимірювання, тестування готових чипів та комп'ютерне моделювання. Вони порівняли пристрої з ідеально пласкими графітовими електродами та пристрої з більш шорсткими металевими контактами із золота та рутенію. Результати підтвердили: шорсткість металу веде до непередбачуваних коливань струму саме через мікрозазори.
Відтепер інженерам радять оцінювати 2D-матеріали не лише за їхніми внутрішніми провідними властивостями. Необхідно враховувати всю архітектуру: шорсткість електродів, якість інтерфейсів з'єднання, наявність мікроскопічних порожнеч, забруднювачів і реальну геометрію простору між контактами. Це відкриття закладає надійний фундамент для виробництва комерційних енергоефективних наночипів через покращення однорідності поверхонь.
Дослідження проводилося у тісній колаборації з науковими партнерами із Науково-технологічного університету імені короля Абдалли (KAUST), Віденського технічного університету, Університету Модени та Реджо-Емілії, Університету Гранади, Рейнсько-Вестфальського технічного університету Аахена, компанії AMO GmbH та Техаського університету в Остіні.
Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI
| 0 |
|
