Оставьте заявку
Укажите контактную информацию, мы вам перезвоним и ответим на интересующие вопросы.
Кейсы
Силицен
Микроэлектроника
Аналог графена
02.11.24
заместитель директора ресурсного центра «Физические методы исследования поверхности» Научного парка СПбГУ
Евгений Владимирович Жижин
НЬЮСМЕЙКЕР
Исследователи Университета первыми в России создали устройство и способ для получения силицена — аналога графена, способного заменить кремний в электронных устройствах. Силицен поможет сделать электротехнику способной обрабатывать и хранить еще больше данных и потреблять еще меньшее количество энергии.
Физики СПбГУ научились получать аналог графена
1.
2.
3.
Содержание:
4.
5.
На них все держится
Разработанный исследователями Университета способ позволяет получать силицен с улучшенной кристаллической структурой. А устройство дает возможность контролировать конечную толщину слоя вещества, что важно для качества материала. На основе усовершенствованного силицена можно будет создавать микрочипы для микроэлектроники будущего.
Микрочип — электронная схема на пластине из полупроводника, которая вмещает в себя огромное количество информации, нужной для работы электронных устройств. С ростом числа цифровых услуг, развитием техники и появлением искусственного интеллекта потребность в микрочипах многократно возросла. И речь не только о смартфонах и ноутбуках. Микрочипы есть почти везде: в автомобилях и мультиварках, медицинских диагностических аппаратах и банковских картах, самолетах и промышленном оборудовании, даже в детских игрушках.
Микрочип — электронная схема на пластине из полупроводника, которая вмещает в себя огромное количество информации, нужной для работы электронных устройств. С ростом числа цифровых услуг, развитием техники и появлением искусственного интеллекта потребность в микрочипах многократно возросла. И речь не только о смартфонах и ноутбуках. Микрочипы есть почти везде: в автомобилях и мультиварках, медицинских диагностических аппаратах и банковских картах, самолетах и промышленном оборудовании, даже в детских игрушках.
По прогнозам международной консалтинговой компании Boston Consulting Group и Ассоциации полупроводниковой промышленности, крупнейшие игроки рынка микрочипов Samsung (Южная Корея), Intel (США) и TSMC (Тайвань) в ближайшие годы планируют инвестировать в производство полупроводников для микрочипов около $ 2,3 трлн. По данным информационного агентства Bloomberg, правительства по всему миру выделили $ 380 млрд для производства более мощных микропроцессоров гигантам Intel (США) и TSMC (Тайвань). Обе цифры сопоставимы с ВВП некоторых стран.
Сейчас все микрочипы производят на основе кремния. Но в последнее десятилетие стало понятно, что кремниевой технологии пора искать замену. Выяснилось, что возможности кремния ограничены: его кристаллическая решетка просто не позволяет сделать чипы еще меньше, что необходимо для дальнейшего развития техники. Из-за этого в области микроэлектроники развивается кризис.
Специалисты по всему миру ведут поиск кандидата на место кремния. Многие годы все присматривались к графену. Но потом стало понятно, что его свойства не позволяют ему стать полноценной заменой. А вот его аналогу силицену это вполне по химическим и физическим силам.
Специалисты по всему миру ведут поиск кандидата на место кремния. Многие годы все присматривались к графену. Но потом стало понятно, что его свойства не позволяют ему стать полноценной заменой. А вот его аналогу силицену это вполне по химическим и физическим силам.
Лучше нобелиата
«Силицен имеет такую же кристаллическую структуру, что и графен, но состоит из атомов кремния. Ряд теоретических работ демонстрирует схожесть электронной структуры этих материалов. Но большую популярность до недавнего времени имел графен», — рассказывает Евгений Жижин.
Предполагается, что устройства, созданные по кремниевой технологии, будут сочетаться с силиценовыми. Так как и там, и там присутствует один и тот же элемент. Это большой плюс, поскольку от старых производств и созданной на них техники отказываться нецелесообразно. Проще запускать параллельные линии, совмещая технологии, чем строить новые заводы.
Предполагается, что устройства, созданные по кремниевой технологии, будут сочетаться с силиценовыми. Так как и там, и там присутствует один и тот же элемент. Это большой плюс, поскольку от старых производств и созданной на них техники отказываться нецелесообразно. Проще запускать параллельные линии, совмещая технологии, чем строить новые заводы.
Структура силицена.
Снимок сделан на сканирующем электронном микроскопе.
Предоставлено Е. В. Жижиным
По словам Евгения Жижина, в дополнение к потенциальной совместимости с существующей полупроводниковой техникой силицен обладает рядом уникальных свойств. Так, он почти не окисляется под действием кислорода вблизи границы с оксидом кремния, а значит, является отличным материалом для изготовления, например, полярных транзисторов. На них работает много устройств, в частности пульты управления и электронные часы. Также вследствие особенностей адсорбции газов на своей поверхности силицен найдет применение в области высокочувствительных молекулярных сенсоров для проведения различных анализов в области химии или в медицине.
Уникальные результаты
Способ и устройство для получения силицена, разработанные специалистами СПбГУ, не имеют недостатков, которые есть у аналогов. Например, при их применении не используются вредные вещества, не образуются примеси в монослое силицена, а также есть возможность точно контролировать результат.
Как рассказал Евгений Жижин, сегодня крайне мало эффективных методов производства и устройств для получения силицена, так как монослой атомов кремния, из которого он состоит, очень нестабилен.
«Недостатком известных аналогов является, в частности, использование подложки из токсичного аммиака, невозможность определить кристаллическую структуру полученного силицена, а также высокая стоимость конечного продукта, — отмечает исследователь. — Кроме того, у конкурентов работа ведется в условиях низкого вакуума с давлением в камере 10-5 Па, что приводит к попаданию в наносимое покрытие загрязнителей, таких как углерод и кислород. Также отсутствует возможность с высокой точностью контролировать толщину покрытия, что необходимо для формирования двумерной и упорядоченной структуры силицена».
Процедура получения силицена с помощью устройства и способа исследователей СПбГУ заключается в нанесении методом молекулярно-лучевой эпитаксии (выращивания кристаллов в вакууме. — Прим. ред.) потока атомов кремния на нагретую подложку из вольфрама и серебра. Однослойный силицен образуется за счет миграции атомов кремния на поверхности нагретой подложки, а его кристаллическая ориентация задается параметрами слоя серебра. В результате образуется слой силицена на всей площади подложки. Структуру же соединения можно проконтролировать, уточнив ее с помощью поверхностно-чувствительных методов анализа.
При этом при увеличении площади базовой подложки будет расти и площадь получаемого силицена. А вакуумную камеру, необходимую для производства, можно собрать по индивидуальным размерам.
Процедура получения силицена с помощью устройства и способа исследователей СПбГУ заключается в нанесении методом молекулярно-лучевой эпитаксии (выращивания кристаллов в вакууме. — Прим. ред.) потока атомов кремния на нагретую подложку из вольфрама и серебра. Однослойный силицен образуется за счет миграции атомов кремния на поверхности нагретой подложки, а его кристаллическая ориентация задается параметрами слоя серебра. В результате образуется слой силицена на всей площади подложки. Структуру же соединения можно проконтролировать, уточнив ее с помощью поверхностно-чувствительных методов анализа.
При этом при увеличении площади базовой подложки будет расти и площадь получаемого силицена. А вакуумную камеру, необходимую для производства, можно собрать по индивидуальным размерам.
Схема получения силицена. Предоставлено Е. В. Жижиным
Что уникально — полученный по технологии исследователей СПбГУ силицен имеет домены размером до 100 нм. Такой результат не получал еще никто. Увеличенный размер доменов открывает большие возможности для создания электротехники на основе силицена. Ведь в одном домене на 100 нм можно разместить большое количество транзисторов (преобразователей электрических сигналов. — Прим. ред.), что позволит сделать устройства еще более производительными и потребляющими меньше энергии.
Современные транзисторы настолько малы, что на микрочипе размером со срез человеческого волоса можно разместить до 1,5 млн транзисторов. Источник: habr.com
Работа на опережение
В России есть пока только одна компания — производитель микрочипов на основе кремния. Но в свете санкций и траектории на импортозамещение российское правительство начало активно поддерживать отечественных исследователей и развивать производство, чтобы преодолеть зависимость от зарубежных поставок.
Так, по оценке аудиторско-консалтинговой фирмы Kept, в 2023 году российский рынок микроэлектроники вырос по сравнению с 2022 годом с 210 млрд рублей до 289 млрд рублей. По прогнозам компании, к 2030 году по сравнению с 2023-м объем вырастет в 2,7 раза — с 289 млрд рублей до 780 млрд рублей, а по оптимистичным оценкам, может достигнуть 1,05 трлн рублей.
Таким образом, российские наработки в области замены кремниевых чипов можно считать игрой на опережение. Возможно, даже будет принято решение сразу создавать устройства на основе совмещенной технологии.
Как рассказал Евгений Жижин, стоимость устройства и реализации способа получения силицена зависит от многих факторов. Основной сложностью исследователь называет недоступность специализированных деталей, а также высокую стоимость комплектующих. Но растущие инвестиции в отечественные разработки должны помочь преодолеть эти препятствия.
Важно отметить, что разработка университетских специалистов запатентована не только в Роспатенте, но и в Евразийской патентной организации, что открывает перспективу для международного сотрудничества и дополнительных инвестиций.
Как рассказал Евгений Жижин, стоимость устройства и реализации способа получения силицена зависит от многих факторов. Основной сложностью исследователь называет недоступность специализированных деталей, а также высокую стоимость комплектующих. Но растущие инвестиции в отечественные разработки должны помочь преодолеть эти препятствия.
Важно отметить, что разработка университетских специалистов запатентована не только в Роспатенте, но и в Евразийской патентной организации, что открывает перспективу для международного сотрудничества и дополнительных инвестиций.
Уникальная научная установка «Научно-исследовательская платформа Нанолаб». Расположена в РЦ «Физические методы исследования поверхности» Научного парка СПбГУ.
Предоставлено Е. В. Жижиным
Готовность
Технология исследователей СПбГУ апробирована в ресурсном центре «Физические методы исследования поверхности» Научного парка СПбГУ. Там же специалисты получали опытные образцы и использовали некоторые элементы научного оборудования для тестирования работы устройства.
Исследователи готовы оказывать консультационную поддержку на всех этапах реализации разработки.
Екатерина Заикина
Автор статьи
Слушать подкаст
Ученые СПбГУ отвечают на важные вопросы
Научно-популярные новости СПбГУ, исследования, видеолекции, интервью с учёными Университета
Ландау позвонит
Оставить заявку
Укажите контактную информацию, мы вам перезвоним и ответим на интересующие вопросы
Наши эксперты готовы ответить на ваши вопросы
Получить консультацию
Полезные статьи, инструкции и подборки для вашего бизнеса
Интересное — у вас в почте
Подпишитесь на соцсети СПбГУ, чтобы быть в курсе актуальных новостей
Подписывайтесь на наши соцсети
Подписаться на рассылку
Подпишитесь на нашу рассылку по электронной почте, чтобы получать полезные советы и ценную информацию каждый месяц.