Учёные Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского разрабатывают гетероструктурные переходы на основе углеродных, органических и металлоорганических материалов для полупроводниковых устройств оптоэлектроники и солнечной энергетики. О проекте на эту тему рассказывает заведующий кафедрой радиофизики и электроники Физико-технического института Алим Мазинов.
Исследование проводится при поддержке Российского научного фонда.
В чём суть Вашего проекта?
— В основном современная электроника выстроена на противопоставлении двух систем: электронной, где основные носители – электроны, и дырочной, в котором главными носителями являются дырки. Благодаря этим системам мы строим полупроводниковые диоды, транзисторы, микросхемы на их основе, а на основе микросхем – компьютеры, сервера, процессоры, элементы памяти. Все данные устройства устроены на полупроводниках.
Гетероструктуры – это следующий шаг в полупроводниковой технике, когда тот же самый барьер выстраивается на основе двух различных материалов. Он может быть как положительно заряженным, так и отрицательно. Там работают и электроны, и дырки. Гетероструктуры – это следующий шаг в развитии человечества. Они позволяют создавать более совершенные электронные системы, микросхемы, элементы электроники, уменьшая их размер, увеличивая скорость и создавая более комфортные условия работы электроники.
Как бы мы ни желали уменьшить размер устройств, как бы нам ни хотелось улучшить возможности микросхем (скорость обработки информации, количество записанной на устройство информации), существует некий предел. И кристаллическая электроника сейчас подходит к тому моменту, когда уменьшать в дальнейшем размеры интегральных микросхем в реальных условиях невозможно.
Мы привыкли, что с каждым годом наши смартфоны и компьютеры становятся мощнее, однако при этом их размеры уменьшаются, они потребляют меньше энергии. Всё это основывается на колоссальном труде физиков, электронщиков, программистов, химиков, которые занимаются производством этих материалов. И выращивать кристаллы для электроники с каждым годом становится всё труднее и труднее. Существует закон Мура, согласно которому каждые два года количество элементов на микросхеме должно удваиваться. Не могу сказать точно, однако, по-моему, уже порядка четырёх лет этот закон не работает. Человечество «упёрлось» в потолок, и дальше уменьшать линейный размер каких-то элементов очень сложно.
Однако существует такой универсальный компьютер, как человек. Да, мы с вами, как и всё живое, функционируем при помощи электронных импульсов. Вся наша нервная система связана с электронными импульсами. Наш головной мозг также работает с помощью электронных сигналов. Это так называемая живая электроника. И наша команда работает над тем, чтобы попробовать связать органическую электронику с неорганической, создать микросхемы на основе органики. На основе углерода, его модификации с добавлением кислорода или водорода, получается такой универсальный компьютер, как человек. В результате, наши исследования протаптывают путь, когда можно будет создавать электронные схемы на основе биологических материалов.
Каковы перспективы проекта?
— Начнём с примера. Вы, наверное, слышали, что Илон Маск вживил в головной мозг обезьяны чип. Это – чип, сделанный на базе неживой электроники, кристаллической электроники. Мы же стараемся создать такую микросхему, которая будет близка по идеологии к нам, то есть на основе органики. Тогда наш организм сможет принимать данные микросхемы как составляющие.
Также, органика в своём многообразии в сотни-тысячи раз превосходит традиционную кристаллическую электронику. И те перспективы, которые открывает органическая электроника, являются в реальных условиях бесконечными.
Какие результаты уже получены?
— В основном мы работаем с изатинами и цинковыми комплексами. Это – сложные соединения, образующие молекулу, которая очень хорошо себя ведёт при переизлучении оптической энергии. Она подходит для создания OLED-дисплеев, OLED-светодиодов. Мы использовали данные элементы в качестве барьерных структур между отрицательной электронной проводимостью и положительной дырочной проводимостью, чтобы попробовать создать потенциальные барьеры, то есть сделать такие устройства, которые могли бы преобразовывать оптическое излучение в электрический сигнал, и наоборот. Это – светодиоды и фотодиоды. И нам удалось получить ряд эффектов, где мы увидели, что на основе органических материалов, углеродных материалов и вправду удалось выстроить барьер.
Мы пробовали выстроить гетероструктуру в контактном соединении между традиционными проводниками, которые используются в электронике – алюминием и медью. Дополнительно мы использовали так называемый прозрачный контакт – оксид олова, титана и различных модификаций с добавлением цинка, которые проводят как электричество, так и свет. На основе этих контактов нам удалось получить тонкие слои углерода, тонкие слои изатинов, цинковых комплексов.
Где на практике можно применять результаты данного исследования?
— В ракурсе Крыма интересно попробовать создать на основе данных материалов такие элементы, как солнечные батареи. Традиционные солнечные материалы строятся на кристаллах. И как я уже рассказывал, кристаллы выращиваются продолжительное время, они достаточно хрупкие, а органические материалы позволяют делать гибкие элементы: гибкие экраны, гибкие сканеры, гибкие телефоны. И они строятся на основе органических материалов. И мы желаем вложить данные органические материалы в качестве дополнительного слоя в солнечные батареи, тем самым усовершенствовав их.
А вторым интересным нам направлением является создание элементов электронных схем, то есть микросхем, которые бы функционировали на основе этих органических материалов. Есть мечта – воссоздать элемент человеческого глаза. Когда человек стареет, хрусталик тускнеет и выходит из строя, и человечество легко научилось заменять хрусталики на выращенные искусственно. А вот заменить палочки и колбочки, которые отвечают за преобразование оптической информации, которую мы получаем и потом преобразуем в образы, в текущее время в реальных условиях невозможно. Были попытки заменить её традиционными материалами на основе платины и золота, однако было бы неплохо найти такую органическую пару, которая преобразовывала бы свет в электричество, не отторгаясь нервной системой человека. Это перспективы, к которым мы желаем двигаться.
Вы знаете, наверное, что многие сценарии к фантастическим фильмам написаны учёными. На мой взгляд, основная задача университета, университетских учений и студентов – мечтать. Именно учёные-мечтатели показывают тот вектор траектории, по которому и движется человечество.
При подготовке статьи были использованы материалы: Пресс-службы КФУ
