Распространение информации о новых технологиях может быть сложной задачей, поскольку часто бывает трудно выявить реальные препятствия для широкого внедрения этой технологии. В большинстве репортажей основное внимание уделяется рекламной шумихе. Технические статьи являются наиболее полезными, но они, как правило, не ориентированы на неопытную аудиторию. Это означает, что они не всегда дают общую картину с практической точки зрения. Скорее, они сосредоточены на технических деталях, имеющих отношение к конкретному исследованию. Обычно я узнаю о серьезном препятствии из статьи, которая призвана его решить, хотя даже в этом случае авторы могут быть сосредоточены на проблемах, которые они потенциально могут решить, и не обсуждать открыто оставшиеся препятствия. Чтобы составить полную картину, требуется время и тщательный анализ. Иногда у меня есть возможность поговорить с нужными специалистами, или они сами участвуют в полезном научном общении и разъясняют суть проблемы.
Одним из многих примеров этого является двумерный материал – материал толщиной в один атом или молекулу. Наиболее известным таким материалом является графен, углеродный лист толщиной в один атом, расположенный в виде “проволочной сетки”. Легко найти статьи, в которых обсуждаются все удивительные физические свойства графена и других двумерных материалов и все возможные области их применения в будущем. Это может вызвать любопытство относительно того, почему мы не видим новых применений этого материала. Краткий ответ заключается в том, что мы пока не знаем, как массово производить графен в больших объемах и без дефектов. Мы можем изготовить множество маленьких кусочков (или коротких кусочков углеродных нанотрубок, которые по сути представляют собой свернутый графен), но они и короткие, и содержат множество дефектов. Это не имеет значения, если мы просто добавляем его в качестве наполнителя к другому материалу, чтобы сделать его прочнее, но не подойдет для большинства интересных применений. Небольшие дефекты также имеют значение, потому что один такой дефект может стать уязвимым местом, из-за которого весь лист или нанотрубка могут распаковаться.
Еще одно приложение с потрясающим потенциалом, но с серьезными препятствиями на пути к нему, — это 2D-компьютерные чипы. Чипы на основе кремния зарекомендовали себя как мощная технология, благодаря которой закон Мура (общее наблюдение о том, что плотность расположения транзисторов на чипе примерно удваивается каждые 18 месяцев) соблюдался десятилетиями. Но чипы на основе кремния сталкиваются с некоторыми фундаментальными ограничениями, вытекающими из законов физики. Транзисторы можно сделать настолько маленькими, что они перестанут функционировать. Размер транзисторов сейчас составляет всего 2 нм, и это близко к пределу, за которым классическая физика переходит в квантовую (для ясности, мы не говорим о квантовых компьютерах, которые представляют собой совершенно другую технологию). Ограничением является возможность контролировать поток электронов через транзисторы. Если поток становится хаотичным или неконтролируемым, то чип не работает. (Это, по общему признанию, упрощенное нетехническое описание проблемы).
Вот почему производители микросхем ищут новую технологию, которая не ограничивала бы возможности современных кремниевых чипов, и именно здесь появляются 2D-материалы. При толщине в один атом они настолько малы, насколько это возможно. Они также обладают отличными проводящими свойствами и могут быть “легированы” (с добавлением других элементов), чтобы при необходимости изменить эти свойства и сделать их полупроводниками. Так почему же наши настольные компьютеры до сих пор не используют графен или какие-либо другие чипы на основе 2D-материалов? Мы по–прежнему сталкиваемся с двумя основными проблемами — массовым производством бездефектных 2D-материалов. Это нетривиальные задачи, над которыми инженеры работают уже почти два десятилетия (с тех пор, как в 2004 году был разработан графен).
Недавнее исследование, проведенное учеными Массачусетского технологического института, предлагает метод решения проблемы бездефектности — неэпитаксиального выращивания монокристаллических двумерных материалов путем геометрического ограничения. “Эпитаксиальный” относится к явлению, когда один кристаллический слой растет поверх другого, и его ориентация определяется существующим слоем. Я бы сказал, что ориентация кристаллического слоя не определяется затравкой кристалла. Ключевой технологией здесь является “геометрическое ограничение”, которое является способом контроля роста этого 2D-кристаллического слоя таким образом, чтобы он имел желаемую форму без дефектов. Как я уже отмечал выше, в статье авторы описывают конкретные технические ограничения для изготовления 2D-чипов:
Тем не менее, 2D-электроника не получила коммерческого распространения, главным образом из-за трех критических проблем: i) точного кинетического контроля послойного роста 2D-материала, ii) сохранения единого домена во время роста и iii) возможности регулирования количества слоев и кристалличности в масштабе пластины.
Эти три особенности относятся к конечной конфигурации двумерного кристалла. Далее приводится объяснение:
Здесь мы представляем детерминированный метод ограниченного выращивания, который позволяет решать эти три проблемы одновременно, получая, таким образом, однодоменные двумерные монослои в масштабе пластины и их гетероструктуры на произвольных подложках.
По сути, они могут контролировать рост и форму кристалла, который может иметь любую конфигурацию, которую они выберут. Основной метод заключается в использовании осаждения из газовой фазы для нанесения материала на кремниевую пластину, которая действует как шаблон. Осаждаемые кристаллические зерна обычно имеют произвольную ориентацию и размеры, но они контролируют рост кристаллов, нанося диоксид кремния на пластину для формирования небольших углублений в желаемой ориентации. Эти ячейки определяют, куда попадают зародыши кристаллов и насколько большими они вырастают, не позволяя им образовывать только однослойный кристалл.
В результате, как утверждают исследователи, получается бездефектный 2D-кристаллический полупроводник любого дизайна, который они пожелают. Так им это удалось? Удалось ли им создать двумерный полупроводниковый чип, который может заменить кремний? Автор исследования Джихван Ким говорит:
“До сих пор не существовало способа изготовления 2D-материалов в монокристаллической форме на кремниевых пластинах, поэтому все сообщество практически отказалось от использования 2D-материалов для процессоров следующего поколения. Теперь мы полностью решили эту проблему, создав способ создания устройств размером менее нескольких нанометров. Это изменит парадигму закона Мура”.
Я полагаю, мы увидим. Чего я не видел, так это того, насколько легко этот процесс может быть масштабирован до промышленного уровня. Если вы не сможете массово производить миллиарды таких чипов экономически эффективным способом, технология может быть интересной, но не преобразит отрасль. Конечно, я надеюсь, что это работает так, как рекламируется. Это по-прежнему означает, что на разработку промышленного процесса уйдет как минимум несколько лет, и, возможно, это не тот окончательный метод, который будет использоваться. Но подобные исследования дают надежду на то, что в будущем у нас действительно появятся двумерные полупроводники.
