Немецкие ученые первыми создали защитный слой для квантовых 2D-материалов

Инновационную защитную пленку для двумерных (2D) квантовых материалов, которая может сыграть ключевую роль в формировании будущего электроники, разработала команда из Вюрцбург-Дрезденского кластера передовых технологий ct.qmat, 1 марта сообщает пресс-служба Вюрцбургского университета им. Юлиуса и Максимилиана (JMU).

Компьютерные чипы на основе кремния практически достигли предела в миниатюризации и улучшении других параметров, таких как быстродействие и энергопотребление, поэтому наука поставила как важнейшую задачу для этого направления поиск альтернативных материалов, сохраняющих нужные функции на атомных масштабах.

Решая ее, исследователи из Вюрцбург-Дрезденского кластера передовых технологий ct.qmat (Сложность и топология квантовой материи) для квантовых слоев полупроводника толщиной всего в один атом разработали пленку, которая защищает такой слой от воздействия окружающей среды, не ухудшая его квантовые свойства. Защитная пленка позволит использовать такие тонкие атомные слои для производства сверхтонких электронных компонентов.

В 2021 году ученые из кластера ct.qmat в Вюрцбургском университете и Дрезденском техническом университете (TU Dresden) открыли, что топологические квантовые материалы, такие как инденен, представляющий собой один слой атомов индия, перспективны для сверхбыстрой и энергоэффективной электроники.

Из инденена можно создавать чрезвычайно тонкие квантовые полупроводники, которые работают как топологические изоляторы, проводя электричество практически без сопротивления по краям (топологи́ческий изоля́тор — особый тип материала, который в объёме является диэлектриком (изолятором), а по поверхности проводит электрический ток — прим. ИА Красная Весна) .

Представитель ct.qmat в Вюрцбурге, физик-экспериментатор профессор Ральф Классен пояснил, в чем необходимость защитного слоя для такого материала:

«Для создания такого одноатомного слоя требуется сложное вакуумное оборудование и специальный материал подложки. Чтобы использовать этот двумерный материал в электронных компонентах, его необходимо извлечь из вакуумной среды. Однако воздействие воздуха, даже кратковременное, приводит к окислению, разрушая его революционные свойства и делая его бесполезным».

Команде ct.qmat Würzburg удалось решить эту проблему. «Мы посвятили два года поиску способа защиты чувствительного индененового слоя от воздействия окружающей среды с помощью защитного покрытия. Задача заключалась в том, чтобы это покрытие не взаимодействовало со слоем инденена», — рассказал Седрик Шмитт, один из аспирантов Классена, участвовавший в проекте.

Особая трудность была в том, что физическое соединение атомов разного типа — в данном случае атомов защитного слоя и полупроводника — приводит к химическому взаимодействию на атомном уровне, которое изменяет свойства материала. Для обычных кремниевых чипов это не является проблемой — они содержат несколько атомных слоев, и достаточное количество слоев останется незатронутым таким взаимодействием и сохранит функциональность.

Поиск материала защитного слоя, который бы не вступал во взаимодействие с индененом, привел ученых JMU к исследованию материалов Ван дер Ваальса.

Как пояснил Классен, «эти двумерные атомные слои Ван-дер-Ваальса характеризуются прочными внутренними связями между атомами, но при этом лишь слабо связаны с подложкой. Эта концепция сродни тому, как карандашный стержень, сделанный из графита (форма углерода с атомами, расположенными слоями в виде сот), пишет на бумаге. Слои графена легко разделяются. Мы стремились использовать эту характеристику».

Применив сложное оборудование сверхвысокого вакуума, исследователи экспериментировали с нагреванием карбида кремния (SiC), используя его как подложку для инденена, чтобы создать из него графен.

«Карбид кремния состоит из атомов кремния и углерода. Нагревание заставляет атомы углерода отделяться от поверхности и образовывать графен, — рассказал Шмитт, объясняя лабораторный процесс. — Затем мы осаждали атомы индия, которые погружались между защитным слоем графена и подложкой из карбида кремния (интеркалировали — прим. ИА Красная Весна). Так образовался защитный слой для нашего двумерного квантового материала инденена».

Проведя анализ процесса изготовления защитного слоя, ученые тщательно проверили, насколько хорошо он защищает инденен от окисления и коррозии. «Это работает! Образец можно даже подвергать воздействию воды, не оказав на него никакого воздействия, — с восторгом говорит Классен. — Слой графена действует как зонтик для нашего инденена».

Полученные результаты исследователи представили в статье «Достижение защиты от окружающей среды для атомарно тонкого квантового спинового изолятора Холла с помощью устройства интеркаляции графена», опубликованной в журнале Nature Communications.

Прорыв вюрцбургских ученых открывает путь к созданию приложений, основанных на свойствах высокочувствительных полупроводниковых атомных слоев. Производство сверхтонких электронных компонентов требует их обработки на воздухе или в других химических средах. Теперь это стало возможным благодаря открытию этого защитного механизма.

Проблема, однако, в том, что графен, эффективно защищая атомные монослои от окружающей среды, является электропроводящим материалом, что создает в электронном устройстве риск короткого замыкания. Поэтому в настоящее время команда в Вюрцбурге занимается поиском других материалов Ван-дер-Ваальса, которые можно использовать для создания защитных слоев, и они уже наметили несколько перспективных проектов.