Информационные технологии развиваются
столь быстрыми темпами, что человечество не всегда успевает на эти
изменения реагировать. Все это - во многом благодаря новым материалам с
принципиально новыми свойствами.
100 лет назад рассуждения К.Э.
Циолковского о будущих космических полетах казались абсолютной
фантастикой. 30 лет назад никто из нас не мог себе представить, что
шариковые ручки станут анахронизмом и им на смену придут разнообразные
гаджеты, с помощью которых можно не только писать, но и делать многое
другое. 20 лет назад мобильные телефоны были привилегией избранных -
большие, тяжелые, далеко не каждому по карману. Остальные пользовались
пейджерами - многие ли сегодня помнят, что это такое? Информационные
технологии развиваются столь быстрыми темпами, что человечество не
всегда успевает на эти изменения реагировать. Пройдет еще каких-нибудь
десять лет - и мир может измениться до неузнаваемости. Все это - во
многом благодаря новым материалам с принципиально новыми свойствами.
Чего
нам ждать от недалекого будущего - об этом наш разговор с Вячеславом
Григорьевичем Сторчаком, доктором физико-математических наук,
профессором, начальником лаборатории новых элементов наноэлектроники
Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ
"Курчатовский институт".
- Вячеслав Григорьевич, вы возглавляете лабораторию новых элементов наноэлектроники. Что это такое?
- Как известно, кремниевая технология, которая лежит в основе всех
информационных технологий - компьютеров, телефонов. Других устройств, - в
настоящее время подходит к своему физическому пределу. Последние 50 лет
развитие информационных технологий на базе кремниевой технологии
осуществлялось в основном путем миниатюризации элементов - транзисторов,
интегральных схем, элементов памяти.
При этом количество
транзисторов на единицу площади, согласно так называемому закону Мура, в
среднем удваивалось каждые два года.
Так продолжалось на
протяжении нескольких десятилетий, и наконец латеральные размеры
элементов подошли к определенному пределу. Речь о том, что в силу
фундаментальных физических ограничений перестают работать принципы,
положенные в основу действия устройств на базе кремния. Так, современные
коммерческие процессоры работают на частотах, не превышающих 5 ГГц,
тогда как, согласно прогнозам аналитического отдела Intel, должны были
преодолеть рубеж в 10 ГГц еще в 2007 г.
Таким образом,
во-первых, уменьшение до наноразмеров привело к тому, что основная
парадигма работы транзистора, а именно переключение состояний "включено/
выключено", перестает работать.
И, во-вторых, в результате
миниатюризации элементов микроэлектроники на единицу площади их
оказалось настолько много, что тепловыделение не позволяет им
функционировать в должном режиме. Эти обстоятельства определяют
необходимость поиска новых направлений, материалов и принципов работы
элементов интегральных схем. В настоящее время рынок информационных
технологий оценивается более чем в $3,5 трлн в год и эксперты
предсказывают мировой экономический кризис, если не будет найдена новая
технология, альтернативная кремниевой электронике.
И вот в 2016
г. корпорация Intel, флагман микроэлектроники, впервые с 1968 г., с
момента своего основания, объявила о глобальной смене парадигмы развития
микроэлектроники. Те фундаментальные пределы, к которым подошла
кремниевая электроника, заставляют разработчиков микроэлектронных
устройств искать иные пути. Выделены два направления - туннельные
транзисторы и спинтроника - как альтернативы кремниевой электронике на
ближайшие десятилетия. И если туннельные транзисторы, по мнению
руководителей департамента развития технологий Intel, не имеют в
ближайшее время перспектив коммерциализации, то спинтроника обладает
этим преимуществом. Именно поэтому Intel выделил спинтронику в качестве
нового магистрального направления развития электроники.
- Что такое спинтроника?
-
Обычно принцип работы устройств электроники предполагает перенос заряда
электрона. Это сопровождается нагреванием материала, большим
тепловыделением, что не позволяет осуществить дальнейшее масштабирование
элементов. Спинтроника основывается на другом фундаментальном свойстве
электрона - его спине, то есть собственном моменте импульса, который
может в определенных условиях осуществлять одно из двух состояний -
вверх или вниз. На этом свойстве основывается принцип
"включения/выключения". Переворот спина электрона сопровождается очень
малым выделением энергии, и это преимущество может оказаться решающим в
процессе конкуренции той или иной технологии в микроэлектронике. Таким
образом, гонка к гигагерцам заменяется на гонку в сторону ограничения
тепловыделения. С одной стороны, значительное уменьшение тепловыделения
позволит компенсировать возможное уменьшение тактовой частоты и общей
производительности, что особенно важно для массивных вычислений. С
Другой стороны, фокус сдвигается в сторону облачных технологий, а также
мобильных устройств, работающих в условиях ограниченной мощности.
-
Неужели речь идет о полном отказе от кремниевых технологий? Ведь во
всем мире построено огромное количество заводов по производству
микроэлектроники на основе кремния.
- Да, это так. Никто,
конечно же, не сможет отказаться от тех инвестиций, которые вложены в
эти заводы. Значит, необходимо интегрировать новые направления с
кремниевыми технологиями.
- Итак, человечеству необходимо создать кремниевую спинтронику. Задача, как я понимаю, не из легких.
-
Да, совсем не из легких. Дело еще в том, что кремниевая технология
планарная, то есть двумерная, а это значит, что нужно искать новые
технологии, которые были бы тоже двумерными. Действительно, по всему
миру сейчас идет поиск новых материалов.
- И каждый ищет самостоятельно?
-
Конкуренцию никто не отменял. Поскольку спинтроника основана на
динамике спина, а спин связан напрямую с магнитным полем, новый материал
должен быть магнитным. Таким образом, материал должен отвечать
следующим требованиям: двумерный, магнитный, интегрируемый в кремниевую
технологию. Именно такой материал мы и создали.
- Что представляет собой этот материал?
-
Всем известен графен. По структуре он представляет собой двумерный
материал, который в планарном виде выглядит как соты. В узлах решетки
графена находятся атомы углерода. Но графен не обладает магнетизмом, и в
этом его недостаток - наряду с его уникальными преимуществами. А мы уже
знаем, что рабочий материал спинтроники должен быть магнитным.
Существует структурный аналог графена - силицен, где в узлах решетки
вместо атомов углерода находятся атомы кремния. Таким образом
осуществляется интеграция с кремниевой технологией.
- Но ведь кремний тоже немагнитен.
-
Совершенно верно. Но если силицен интеркалировать магнитными ионами, а в
данном случае мы использовали ионы гадолиния и европия, то его можно
сделать магнитным, двумерным и, соответственно, интегрированным с
кремнием.
- Каким образом все это происходит?
-
Осуществляется реакция в высоком вакууме: на подложку кремния
направляется поток атомов гадолиния либо европия, и при определенной
температуре идет химическая реакция с образованием многослойной
структуры - слой гадолиния, слой силицена, опять слой гадолиния, слой
силицена. Получается такой двумерный ферромагнитный "слоеный пирог" -
уникальный материал, отвечающий всем заявленным выше требованиям.
- Вы сказали - уникальный. Неужели никто больше до этого не додумался?
-
Насколько нам известно, ничего подобного в мире нет. Это наша,
российская разработка, осуществленная на базе Курчатовского комплекса
НБИКС-природоподобных технологий при поддержке гранта Российского
научного фонда (РНФ).
- А каким путем идут в мире?
- В
основном идут путем создания так называемых ван-дер-ваальсовских
двумерных ферромагнетиков. Первые работы появились примерно год назад -
были опубликованы две статьи в журнале Nature, в которых речь идет о
хромовых соединениях. В этих соединениях обнаружен двумерный
ферромагнетизм, который, однако, оказался крайне слабым - его можно
обнаружить только оптическими методами. Эти ван-дер-ваальсовские
материалы напрямую с кремниевой технологией не связаны. Мы в эту гонку
включились еще до того, как были опубликованы эти работы, и в результате
был синтезирован материал, о котором мы сейчас говорим. Этот материал
по сравнению с ван-дер-ваальсовскими материалами на основе хрома
обладает достаточно сильным ферромагнетизмом. который можно обнаружить с
помощью стандартных магнитометров.
- Насколько я знаю, у вас тоже есть публикация в престижном научном журнале?
-
Да, в журнале Nature Communications. В этой статье показано, что создан
целый класс двумерных материалов, интегрированных с кремнием и
обладающих ферромагнитными свойствами. В этих материалах прослеживается
сильная зависимость ферромагнетизма от магнитного поля, а это признак
двумерности материала.
- Что вы собираетесь дальше делать с этим материалом?
-
Сейчас трудно сказать, какова будет его судьба. Дело в том, что не
только магнитные, но и транспортные свойства этого материала сильно
зависят от количества его слоев. Как это и требуется в двумерности, мы
работаем на уровне монослоев, то есть на подложке кремния оказываются
один монослой материала, два, три. Мы научились выращивать определенные
наборы слоев и таким образом манипулировать транспортными свойствами
структуры.
Во-первых, необходимо повышать температуру
ферромагнитного перехода (в настоящее время она составляет порядка 50
градусов Кельвина), доводить ее до комнатной, чтобы можно было
конкурировать с нынешней микроэлектроникой. Во- вторых, поскольку
материал только недавно создан, необходимо исследовать его свойства и
расширять класс такого рода материалов - других силиценовых
ферромагнетиков.
- Какими вам видятся основные области его применения?
-
Основная область его применения - это кремниевая спинтроника, которая в
перспективе может оказаться альтернативой ныне существующей кремниевой
электронике.
- Как все это может изменить нашу жизнь?
- Кардинально.
-
Давайте представим себе картинку будущего - скажем, 20 лет спустя,
когда у нас доминирует новый вид электроники. Что мы увидим?
-
Если вы помните, 20 лет назад у нас не было мобильных телефонов. Наши
телевизоры представляли собой большие ящики, и в автомобилях не было тех
электронных устройств, которыми мы сейчас ежедневно пользуемся.
Прогресс электроники не остановить. Если современные суперкомпьютеры
сейчас требуют энергии небольшой электростанции. то подобные
суперкомпьютеры будущего будут намного скромнее в своих запросах.
- Будут питаться от розетки 220 В?
-
Скорее 120 В. Кроме того, приборы станут более компактными, телефоны,
телевизоры, различные гаджеты существенно уменьшатся и будут потреблять
значительно меньше энергии.
- А электромагнитные излучения станут менее интенсивными? Ведь они влияют на нас, и в том числе на наше здоровье.
-
Понятно, что с уменьшением поглощаемой мощности уменьшается и мощность
выделяемая. Таким образом, интенсивность электромагнитного излучения
тоже будет снижаться. Хотя, на мой взгляд, она и сейчас находится на
таком уровне, что не стоит обращать на это серьезного внимания.
- Итак, в России создан материал, который позволяет конкурировать с лучшими образцами западной технологии.
-
Да, и это несомненное достижение отечественной науки, нашего
национального исследовательского центра. Полученный нами материал мы
сейчас патентуем. Хотелось бы отметить, что наша статья в престижном
Nature Communications отмечена как одна из наиболее значительных
(Editor's Highlight). Это при том что, к сожалению, российские ученые в
такого рода топовых научных журналах представлены крайне незначительно.
Если не ошибаюсь, за последние два года это первая публикация в журналах
уровня Nature и Science чисто российского коллектива без участия
западных соавторов, по результатам исследований, выполненных без
привлечения западной инфраструктуры.
- С чем вы связываете такую
низкую активность российской науки в этих журналах? Ведь, наверное, не с
тем, что мы мало создаем новых разработок, а с чем-то другим?
-
На мой взгляд, это складывалось исторически: российские исследования не
были широко представлены в западной литературе. То. что российские
ученые стали публиковаться сначала вместе с западными соавторами,
выполняя работы на западных ускорителях. реакторах, либо просто в
западных лабораториях, а теперь и самостоятельно. - это очень хорошо. Я
сам с 1990 г. работал в Канаде, в Англии, в Швейцарии, проводя
эксперименты на ускорителях. В России в это время не было
конкурентоспособной инфраструктуры, которая бы позволяла нашим ученым
осуществлять исследования на должном уровне, и это тоже сыграло свою
роль. У меня много публикаций с западными соавторами по работам,
выполненным в рамках западной инфраструктуры, в частности на ускорителях
в Ванкувере. Филлигене. в Лаборатории Резерфорда - Эпплтона. В
настоящее время появилась возможность выполнять работы мирового уровня,
используя российскую инфраструктуру. в частности не имеющее аналогов
оборудование нашего Курчатовского института. Тем более что руководство
страны поставило задачу достижения независимости, паритета в
технологических областях. Наша работа - важный шаг в этом направлении.
Магнитный силицен - материал электроники будущего. "В мире науки" 2018, № 7
Магнитный силицен - материал электроники будущего. "В мире науки" 2018, № 7