l:href='http://www.mikroskopia.ru/info/26.html'>сканирующем туннельном микроскопе. Использовать эту технологию можно не только для того, чтобы наблюдать структуры, но также и чтобы создавать их.
Надо сказать, что эта группа учёных не была первой, потому что туннельной технологией пользуются давно, и было очень много споров по поводу того, как могут работать такие одномолекулярные транзисторы с ограниченным количеством атомов. Сначала были теоретические работы, а в 2009-2010 гг. появились и практические.
Но в подобных разработках, как правило, используются уникальные структуры, например, графен. Это моноатомный лист графита, то, что остается в следе карандаша. Если, например, провести линию на бумаге, она будет состоять из стопок графеновых чешуек. Из каждой чешуйки можно сделать транзистор. Но объединить это с существующей кремниевой технологией достаточно сложно, потому что это углерод, а значит, это другие технологические процессы, другая химия. И поскольку много усилий уже вложено в кремниевую технологию, все стараются придумать что-то аналогичное для кремния.
И опыт показывает, что пока ничего лучше кремния нет. Кремниевый транзистор с нанометровыми размерами работает почти с такой же скоростью, как транзистор на полупроводниковых соединениях, стоимость производства которых существенно выше.
- Что Вы думаете про работу австралийской группы? Какова её ценность?
- Статьи, опубликованные в Nature, отличаются тем, что гарантированно проходят хорошую научную экспертизу, и можно не беспокоиться о достоверности описанных научных результатов. Публикация, о которой идёт речь, не является прорывной, физика здесь достаточно известна и понятна. Поэтому приоритеты, о которых ученые заявляют в этой статье, довольно скромны. Они сообщают, что создали и проинспектировали новый класс устройств на основе кремния, и последнее они считают своим самым главным достижением.
Что касается комментариев в прессе с сенсационными заголовками, то ситуация здесь простая. Исследователи всегда стараются привлечь к своей работе внимание, в том числе и в масс-медиа, чтобы инвестор тоже прочитал, и решил, что надо поддержать эти разработки.
Как правило, сами учёные делают это аккуратно и грамотно. И эта статья написана ясным научным языком, в ней нет никаких журналистских выдумок и сенсационного заголовка, а фантазии и неточности появляются тогда, когда журналист или инноватор пытается сделать так, чтобы тема была интересна всем, а не только узким специалистам.
Схема транзистора группы Мартина Фюксле Martin Fuechsleet al., Nature Nanotechnology5, 502 -505 (2010)
- На каком принципе основана работа такого транзистора?
- Транзистор Мартина Фюхсле с соавторами, о котором вы спрашиваете, устроен примерно так же, как и с одним атомом примеси. В их приборе, представленном на рис.1, есть исток, сток, между ними два затвора и атомы примеси.
Изображение получено с помощью сканирующего туннельного (атомно-силового) микроскопа. Также в нём видны «ступеньки» — это атомные террасы на поверхности кремния. Они сначала покрыли поверхность водородом, он делает ее непроводящей, потом удалили его с помощью зонда в нужных местах, затем напустили газ, фосфин (соединение водорода с фосфором).
Фосфин очень активен, он взаимодействует с оборванными связями, и там, где он особенно активен, естественно, образуются проводящие дорожки. В середине сделан маленький «островок» с небольшим количеством атомов фосфора. Затем устройство отжигается при температуре 250 градусов Цельсия. Это самый критический шаг, потому что во время отжига картинка плывет, атомы начинают перескакивать из одного положения в другое, и она размывается.
Это главная проблема: сохранить, несмотря на размытие картинки, работающую структуру. Но они успешно нашли режим, в котором исходная структура не сильно размывается. Они сделали ещё один контакт, электрический, но уже с помощью алюминия и с защитным слоем кремния сверху. То есть, по сути, они зарастили кремнием эти слои с фосфором, и после у них получился готовый наноприбор, который можно исследовать.
Измерения проводятся при температуре 20 мК (температура жидкого гелия 4 К, а эта — в 200 раз меньше). Это очень низкие температуры, они достигаются откачкой паров жидкого гелия, и, к сожалению, без них наблюдать подобные эффекты нельзя. Это — главный недостаток конструкции. А достоинство заключается в том, что они создали сильно легированные 3-4 нанометровые островки, то есть настолько маленькие, что уже наблюдаются квантовые резонансные эффекты в переносе носителей от истока к стоку.
Кроме того, они проанализировали эти резонансы и доказали, что атомы в этом островке расположены хаотично и образуют почти непрерывную зону уровней, через которую транспорт идёт даже лучше, чем ожидалось. Это очень важно, потому что обычный транзистор работает не на туннельном эффекте, а на преодолении барьера за счёт тепловой энергии носителей заряда (то есть термоэмиссионный ток) и за счёт инжекции из истока.
Их прибор работает на туннельном токе, который как минимум в 10 раз меньше, чем инжекционный, так как вероятность туннелирования экспоненциально сильно зависит от расстояния, а также от числа уровней, по которым возможно туннелирование. Получение большого тока — главная проблема туннельных приборов.
- Является ли этот транзистор шагом к созданию квантового компьютера?
- Да, является. В Австралии существует большая программа по созданию квантового компьютера, такие программы имеются во всём мире, в том числе и в России. Главная проблема заключается в том, чтобы точно, в заданном положении, расположить атомы примеси в твёрдом теле.
Например, в работе 2006 года эту проблему попробовали решить очень простым способом. Они просто имплантировали одиночные примесные атомы в готовые структуры, которые потом случайно обнаруживали.
Сейчас уже разработана специальная установка, которая имплантирует по одному атому. Такие установки дороги и сложны в изготовлении, и достоинство рассматриваемой работы в Nature в том, что авторы используют сканирующий туннельный микроскоп со сверхвысоким вакуумом, с помощью которого точно по заданному рисунку размещаются атомы фосфора на поверхности кремния.
- Расскажите про транзистор из одного атома.
- Первая работа с одним легирующим атомом была сделана в 2006 году и опубликована также в журнале Nature, авторство принадлежит сотрудникам университета Дельфта из Голландии. Они сделали транзистор с использованием всего одного примесного атома фосфора. Сейчас эта технология доведена до совершенства. Этим занимаются и австралийские и немецкие исследовательские центры, центры в США.
Исследователи давно работают со считанным количеством легирующих атомов на кремнии и транзисторными структурами, и пытаются делать приборы, подобные тем, что описаны в майской статье. Благодаря эффекту туннелирования можно сделать прибор из 1-3 атомов и получить при этом хорошие
