Физики создали не существовавший ранее материал для квантовых технологий
Ученые из Германии разработали уникальный полупроводниковый сплав, сочетающий углерод (C), кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) — все элементы IV группы периодической таблицы. Этот материал, получивший условное обозначение CSiGeSn, может стать основой для будущих квантовых компьютеров, лазеров и даже чипов с функциями преобразования тепла в электричество.
Работу провели исследователи из Forschungszentrum Jülich (FZJ) и Института инновационной микроэлектроники Лейбница (IHP). Результаты опубликованы в научном журнале Advanced Materials.
«Объединив эти четыре элемента, мы достигли давней цели: окончательного полупроводника группы IV», — говорит Дэн Бука, доктор философии и один из авторов исследования.
Новый материал лучше кремния?
Полупроводники — основа всей современной электроники. Кремний остается основным элементом для производства чипов, но его возможности на пределе. Он плохо работает с фотоникой (световыми технологиями) и квантовыми системами.
Новый сплав:
сохраняет совместимость с текущими производственными процессами чипов (CMOS);
обеспечивает лучший контроль над электронными и оптическими свойствами;
открывает путь к созданию лазеров, работающих при комнатной температуре, что значительно удешевляет и упрощает производство;
Ранее ученые уже комбинировали германий, кремний и олово для оптоэлектронных устройств, таких как светодиоды и фотодетекторы. Но добавить углерод — элемент с гораздо меньшим атомом и нестандартным поведением — считалось почти невозможным.
Добавление углерода было особенно рискованным из-за его малых размеров и отличающейся структуры связей. Но именно он дал сплаву возможность точно управлять ключевым свойством — энергетическим «порогом», от которого зависит, как материал проводит ток или излучает свет.
Однако немецкие инженеры использовали промышленную установку CVD (химическое осаждение из паровой фазы), созданную компанией AIXTRON AG, и смогли равномерно включить все четыре элемента в однородный стабильный материал.
Отличия нового сплава:
устойчив к разрушению кристаллической решетки;
- не дает структурных дефектов;
- может масштабироваться для производства чипов.
Впервые создан светодиод из материала будущего
Главным прорывом стало создание первого светодиода (LED), в основе которого лежит квантовая структура скважины из всех четырех элементов. Квантовые скважины — это наноструктуры, способные «ловить» электроны и фотоны в строго заданном диапазоне, усиливая световое излучение. Это ключевая технология для фотонных и квантовых систем.
«Материал предлагает уникальную комбинацию настраиваемых оптических свойств и совместимости с кремнием», — отметил профессор IHP Джованни Капеллини.
На что уже способе новый материал:
заменить кремний в квантовых микросхемах;
интегрировать лазеры и фотонные компоненты прямо на кристалл;
обеспечить преобразование тепла в электричество в миниатюрных гаджетах, таких как умные часы или сенсоры;
масштабироваться для массового производства с уже существующим оборудованием.