Развитие современной микроэлектроники сталкивается с рядом проблем. Одна из них — ограничение возможностей кремния, который является традиционным материалом для изготовления электронных устройств. Кремний имеет полупроводниковые свойства, то есть при определенных условиях он может проводить электрический ток. Полупроводниковые приборы на основе кремния позволяют управлять потоком электронов и создавать различные логические схемы.
Но кремний не идеален. Он имеет ряд недостатков, таких как высокая стоимость производства, большое энергопотребление, низкая скорость передачи сигналов, высокая температура работы и ограниченная миниатюризация. Поэтому ученые по всему миру ищут альтернативные материалы, которые могли бы заменить кремний в микроэлектронике будущего.
Одним из таких материалов мог бы стать графен — двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, расположенных в виде шестиугольных ячеек. Графен открыт в 2004 году британскими физиками Андреем Геймом и Константином Новоселовым, за что они получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году. Графен обладает уникальными свойствами: он самый тонкий и самый прочный материал в мире, прозрачен для света и тепла, отлично проводит электричество, гибок и эластичен.
Графен считается одним из самых перспективных материалов для микроэлектроники нового поколения, так как он может обеспечить высокую производительность, низкое энергопотребление и малые размеры электронных устройств. Однако графен также имеет свои сложности: он трудно синтезируется в больших количествах и качестве, и, главное, он не имеет запирающего эффекта, необходимого для создания транзисторов.
Поэтому ученые продолжают искать другие двумерные материалы, которые могли бы заменить или дополнить графен в микроэлектронике. Один из таких материалов — силицен. Силицен — двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов кремния, расположенных в виде шестиугольных ячеек, как и в графене. Силицен является кремниевым аналогом графена, но имеет ряд отличий от него. В частности, силицен имеет запирающий эффект, то есть может менять свою проводимость в зависимости от приложенного напряжения. Это делает его подходящим для создания транзисторов — основных элементов микросхем.
Силицен был предсказан теоретически еще в 1994 году, но его синтез был осуществлен только в 2010 году. С тех пор ученые по всему миру пытаются получить силицен высокого качества и исследовать его свойства и возможности. Однако синтез силицена представляет собой большой научный и технический вызов, так как атомы кремния имеют больший размер и большую энергию связи, чем атомы углерода. Это означает, что атомы кремния труднее уложить в один слой шестиугольников и заставить их держаться вместе.
Монослой силицена под микроскопом
Именно эту проблему удалось решить сотрудникам Санкт-Петербургского университета, которые разработали и запатентовали устройство для получения силицена с улучшенной кристаллической структурой. Это первая такая разработка в России, которая может стать прорывом в области посткремниевой микроэлектроники.
Устройство, созданное учеными СПбГУ, зарегистрировано в Федеральной службе по интеллектуальной собственности как полезная модель. Оно представляет собой специальную камеру, в которой происходит процесс синтеза силицена методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Этот метод заключается в том, что исходный материал подвергается термическому распылению, а затем атомный или молекулярный пучок направляется на поверхность подложки, где он откладывается и образует тонкий слой пленки. Все это происходит в вакууме, чтобы исключить примеси и препятствия.
Для получения силицена ученые СПбГУ использовали подложку из вольфрама — металла, имеющего высокую температурную стабильность и хорошую адгезию к кремнию. На подложку из вольфрама наносили слой серебра методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Затем на нагретую до 200°С подложку направляли атомарный поток кремния. Таким образом, ученым удалось получить однослойный силицен на поверхности серебра.
Особенностью разработанного устройства является то, что оно позволяет формировать силицен с большим размером нанокристаллических доменов — областей, в которых атомы имеют одинаковую ориентацию. Чем больше размер доменов, тем лучше качество материала и его электронные свойства.
Мы впервые разработали и получили патент на устройство для изготовления силицена. От аналогов наша разработка отличается увеличенным размером нанокристаллических доменов, достигающим 100 нм на 100 нм
— один из авторов работы, профессор кафедры электроники твердого тела СПбГУ Алексей Комолов.
Синтез силицена проводился на оборудовании ресурсного центра «Физические методы исследования поверхности» Научного парка СПбГУ. Структура и свойства полученного материала были изучены с помощью ряда физических методов, таких как растровая электронная микроскопия, спектроскопия фотоэлектронов, рентгеновская дифракция и другие.
Результаты работы опубликованы в журнале PLOS Computational Biology под названием «Synthesis and characterization of silicene on Ag/W (110) substrate».
Ученые СПбГУ планируют продолжить исследования силицена и его возможных применений в микроэлектронике. В частности, они хотят изучить влияние различных параметров процесса синтеза на структуру и свойства силицена, а также создать прототипы электронных устройств на основе силицена, таких, как транзисторы, диоды, сенсоры и другие.
