Перестановка атомов: революция в электронике

Исследователи из Университета Арканзаса, Национальных лабораторий Сандиа и Дартмутского колледжа обнаружили, что перестановка атомов в полупроводниковых структурах может значительно улучшить их электронные свойства. В частности, были изучены оптические свойства тонкого слоя полупроводника германия-олова (GeSn), заключенного между барьерами из кремний-германий-олова (SiGeSn). Эта структура, известная как квантовая яма, традиционно изучалась для улучшения лазеров и фотодетекторов.

Ученые предположили, что электрический заряд будет двигаться медленнее в такой квантовой яме из-за смешанного состава барьеров. Однако результаты оказались неожиданными: подвижность носителей заряда оказалась выше, чем ожидалось. Это открытие имеет потенциал для развития нейроморфных вычислений, имитирующих работу человеческого мозга, и квантовых компьютеров.

Исследование также проливает свет на роль краткосрочного порядка атомов. Если удастся манипулировать расположением атомов, это может привести к существенному скачку в производительности и миниатюризации микроэлектроники. Интересно, что в этом исследовании участвовала междисциплинарная команда, объединившая усилия трех ведущих научных учреждений.

Квантовая яма — это тонкий слой полупроводникового материала, подобный канавке, который ограничивает движение электронов и дырок, делая их движение более предсказуемым и эффективным. Подвижность — это мера того, насколько легко носители заряда перемещаются в этой структуре. Исследования квантовых ям начались еще в 1970-х годах, и сегодня они широко применяются в производстве лазеров, инфракрасных датчиков, солнечных элементов и высокоскоростных чипов.

Традиционно квантовые ямы из германий-олова изучались с барьерами из чистого германия. Однако использование барьеров из кремний-германий-олова оказалось более перспективным для интеграции с кремниевыми электронными компонентами. Университет Арканзаса предоставил высококачественные материалы, Сандийские лаборатории провели экспериментальные измерения, а Дартмутский колледж проанализировал атомный порядок в барьерах.

Неожиданно высокая подвижность может быть объяснена краткосрочным порядком атомов — тенденцией элементов располагаться определенным образом относительно друг друга. Если эта гипотеза подтвердится, это откроет новые возможности для управления свойствами материалов путем манипулирования их атомной структурой. Это может стать дополнительным инструментом инженерии материалов, наряду с легированием и деформацией, и оказать значительное влияние на развитие микроэлектроники и квантовых информационных технологий.

Даже на нанометровом уровне, где находятся миллионы атомов, существует достаточно пространства для улучшения свойств материалов.