В новой работе исследователи значительно развили свой подход формирования наноприборов, добившись управляемого синтеза высококачественных монокристаллов диоксида ванадия (VO2) на трехмерных наноструктурах кремния, а также селективного роста массивов наноколец. Достигнутые результаты открывают возможность создания высококачественных логических наноэлементов в нейроморфных компьютерах, «умных» метаматериалов, сенсоров и оптических фотонных устройств. Авторская технология основана на широко используемой кремниевой технологии, что открывает перспективы для быстрого промышленного внедрения. Работа сотрудников Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) и Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН (ИНХ СО РАНподдержана Российским научным фондом, результаты опубликованы в журнале CrystEngComm.​ 
 
Благодаря кремниевой технологии созданы компьютеры, сотовые телефоны и другие, привычные нам электронные устройства. Однако кремниевые приборы практически достигли своих предельных параметров. Для дальнейшего прогресса и увеличения быстродействия процессоров при одновременном уменьшении энергопотребления нужны новые материалы с бОльшим спектром функциональных свойств, чем у кремния. Такие материалы есть, но их промышленное применение затруднено, так как их качество и уровень технологий производства приборов на их основе — низкие. Специалисты ИФП СО РАН и ИНХ СО РАН предложили решение проблемы, интегрировав синтез диоксида ванадия — материала с новыми свойствами — в существующую кремниевую технологию. 
 
Привлекательность диоксида ванадия для электроники будущего в том, что его монокристаллы могут очень быстро переходить из полупроводникового состояния в металлическое. Однако при обычном фазовом переходе параметры кристаллической решетки изменяются на один процент, что приводит к разрушению кристалла, если синтезировать его на подложке из кремния. Решение этой проблемы исследователи предложили в своей предыдущей работе, вырастив нанокристаллы на вершинах кремниевых наноигл, диаметром около 20 нанометров. В этом случае площадь соприкосновения нанокристалла с такой «подложкой» кремния минимальна, и разрушения не происходит. Нанокристаллы VO2 служили у авторов резистивными переключателями с рекордной энергоэффективностью и долговечностью — ученые показали, что можно совершить более ста миллиардов обратимых переходов из металлического состояния в полупроводниковое. 

 
ифп-нанофотоника-2.jpg
 
Виктор Принц, заведующий ​лабораторией ИФП СО РАН член-корреспондент РАН ​. Источник: Надежда ​Дмитриева, пресс-служба ИФП СО РАН
«Мы формируем практически все элементы приборов из кремния, используя кремниевую технологию, и только на финальном этапе, в заданных местах: на кремниевых наноплощадках или иглах синтезируем монокристаллы VO2. Такой подход открывает возможность массового формирования высокоточных, дешевых VO2 наноприборов», — объясняет соавтор статьи заведующий лабораторией физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН член-корреспондент РАН Виктор Яковлевич Принц.​
Ранее в мире в основном синтезировались и исследовались поликристаллические пленки VO2. Низкое качество таких пленок не позволяло использовать их для электронных приложений. Например, в 2015 году рекордное количество переключений, которое выдерживали пленки, не превышало одного миллиона, что означало деградацию прибора после секунды воздействия мегагерцового сигнала. Миллиарды кремниевых транзисторов в сотовых телефонах и компьютерах безотказно работают, прежде всего, потому, что они формируются из практически идеального монокристалла кремния.
«Несколько лет назад, когда мы только начинали работать с VO2, мы поставили перед собой амбициозную цель — создать высококачественный материал и довести технологию до промышленного внедрения», — подчеркивает Виктор Принц.​
«Выполнив комплексные исследования морфологии, атомной структуры нанокристаллов, их состава и электрических характеристик, мы показали, что высококачественные монокристаллы диоксида ванадия синтезируются только в очень узкой оптимальной области температур. Отклонение от нее даже на 20 градусов приводит к существенному ухудшению свойств. В результате мы гарантированно можем синтезировать монокристаллы VO2 М-фазы, с практически идеальными характеристиками. Именно кристаллы М-фазы способны переключаться из полупроводникового состояния в металлическое при температурах близких к комнатной. Более того, мы научились управляемо синтезировать не только отдельные нанокристаллы и их массивы, но и более сложные структуры VO2 в виде трехмерных массивов наноколец. Отметим, что до наших работ такой управляемый синтез отсутствовал» — говорит соавтор статьи научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН Сергей Владимирович Мутилин.​​​
 
 



Слева: высококачественный монокристалл VO2 , синтезированный на вершине кремниевой иглы и результаты  исследований его  атомной  структуры. Справа: упорядоченные массивы наноколец VO2, селективно синтезированных на поверхности цилиндров, вытравленных из кремния  с помощью  Бош-процессов. Источник: Sergey V. Mutilin et al / CrystEngComm, 2020. 
​ 
Трехмерные массивы наноколец оксида ванадия могут служить, в частности, оптическими резонаторами в перестраиваемых метаматериалах. Это дает новые возможности для динамического управления светом, в том числе для развития быстродействующих систем передачи и обработки информации.

«Часто, чтобы получить результат, необходимы нестандартные решения. Для формирования уникальных наноколец VO2, мы использовали особенности глубокого травления кремния с применением попеременных процессов ионного травления и пассивации, известного под названием “Бош-процесса”. При таком процессе на стенках вертикальных и трехмерных структур формируются «гребешки» обусловленные цикличностью процесса. Именно на этих «гребешках», опоясывающих вытравленные цилиндрические наноструктуры кремния нам удалось селективно синтезировать VO2 и тем самым сформировать трехмерные массивы замкнутых колец VO2. Важно отметить, что Бош-процесс очень широко применяется в промышленности, что открывает для нашей технологии возможность внедрения в производство. Мы предполагаем, что наш подход можно распространить на другие перспективные материалы», — добавляет Виктор Принц. ​​​

Источник: пресс-служба ИФП СО РАН.

На фото: ​​Сергей Мутилин, научный сотрудник ​лаборатории физики и ​технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН. ​Источник: Надежда ​Дмитриева, пресс-служба ИФП СО РАН​.

Источники

Новосибирские ученые разработали технологию формирования наноприборов для нейроморфных систем и нанофотоники
Российский научный фонд (rscf.ru), 14/12/2020
Новосибирские ученые разработали технологию формирования наноприборов для нейроморфных систем и нанофотоники
НИА Новосибирск (54rus.org), 14/12/2020
Новосибирские ученые разработали технологию формирования наноприборов для нейроморфных систем и нанофотоники
Наука в Сибири (sbras.info), 14/12/2020
Новосибирские ученые разработали технологию формирования наноприборов для нейроморфных систем и нанофотоники
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 14/12/2020
Новосибирские ученые создали технологию формирования приборов для электроники будущего
Научная Россия (scientificrussia.ru), 14/12/2020
Новосибирские ученые разработали технологию формирования наноприборов
ИА Regnum, 15/12/2020
Разработана технология формирования наноприборов для нанофотоники
Индикатор (indicator.ru), 15/12/2020
Новосибирские ученые разработали технологию формирования наноприборов
Organizacii.mwmoskva.ru, 15/12/2020
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук
ФСМНО (sciencemon.ru), 16/12/2020
Новосибирские ученые разработали технологию формирования наноприборов
Ритм (ritm-magazine.ru), 16/12/2020
Новосибирские ученые создали технологию формирования приборов для электроники будущего
Nanonewsnet.ru, 18/12/2020

Похожие новости

  • 11/02/2021

    И женское дело тоже: три истории новосибирских женщин-учёных

    ​​Возможность получать такое же образование, какое получают мужчины, у женщин появилась относительно недавно. В России, например, всего 103 года назад — после революции. Тем не менее женщины наукой всегда не просто интересовались, а двигали прогресс вперёд и совершали настоящие открытия.
    628
  • 30/03/2021

    Газовые гидраты: наука и применение

    ​Почему важно изучать гидраты, каким может быть их практическое применение и как они влияют на потепление климата Земли, «Ъ-Науке» рассказывает доктор химических наук, главный научный сотрудник Института неорганической химии Сибирского отделения РАН Андрей Манаков.
    491
  • 09/07/2019

    Кристалл будущего

    ​В Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН ученые работают с необычным материалом — диоксидом ванадия, который может изменить будущее электроники и вычислительной техники. Этот материал переходит из диэлектрического в металлическое состояние и обратно за сверхмалые времена.
    989
  • 17/02/2021

    Из лаборатории в цех: о взаимодействии науки и производства говорили на форуме в Новосибирске

     16 февраля стартовал первый новосибирский форум «Кооперация науки и производства». Организатором мероприятия выступила автономная некоммерческая организация «Центр содействия развитию предпринимательства Новосибирской области».
    485
  • 11/01/2021

    Достижения и открытия большой науки

    — Специалисты Института ядерной физики имени Г. И. Будкера, Института химии твердого тела и механохимии, Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН разработали и испытали прототип детектора на основе нанокомпозитного материала.
    438
  • 11/09/2016

    «Кремний-2016» - XI Конференция и X Школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе

    ​​С 12 по 15 сентября 2016 года  в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН будет проходить конференция "Кремний-2016". Конференция является продолжением серии научных конференций, посвященных кремнию.
    3907
  • 29/09/2020

    Международная конференция "Кремний-2020" и Школа молодых ученых

    22-24 сентября в г. Гурзуф в рамках VI Международного Форума «Микроэлектроника 2019» состоялись XIII Международная Конференция «Кремний-2020» и XII Школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе.
    1252
  • 07/11/2019

    Масштабный проект по созданию квантового компьютера запускает Росатом

    Госкорпорация "Росатом" запустила масштабный проект по созданию отечественного квантового компьютера и библиотеки квантовых алгоритмов. Проектный офис по реализации этой инициативы, чей бюджет составит 24 млрд рублей, возглавил Руслан Юнусов, генеральный директор Российского квантового центра.
    1408
  • 20/04/2021

    «Экран ФЭП»: экологичная конкуренция, сотрудничество с государством и симбиоз с наукой

    Новосибирск занимает уникальное место на карте мирового рынка электронно-оптических преобразователей (ЭОП), применяемых в приборах ночного видения. Здесь сосредоточены три из четырех российских (а это примерно половина всех мировых) предприятий, выпускающих эти устройства.
    349
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    2477