Сверхбыстрые компьютерные чипы с алмазной крошкой теперь стали гораздо ближе к реальности благодаря «квантовому прорыву»: инновации-технологии-наука:
Ученые приблизились к интеграции алмазов в кремниевые компьютерные чипы, снизив температуру, необходимую для их выращивания в лабораторных условиях, и объединив этот процесс с квантовой механикой.
Алмазы очень востребованы в электронике. Это связано с тем, что их особая структура кристаллической решетки позволяет им выдерживать высокие электрические напряжения, а также они могут невероятно хорошо рассеивать тепло, поскольку не являются электропроводящими. Но для того, чтобы быть изготовленными в лаборатории, алмазы также требуют чрезвычайно высоких температур — намного превышающих температуру, которую могут выдерживать компьютерные чипы при их производстве — поэтому их нельзя легко интегрировать в процессы производства чипов. Между тем, снижение нагрева снижает качество алмаза.
Разгадка тайны, связанной с алмазами
В исследовании, опубликованном 13 сентября в журнале Diamond and Related Materials, ученые нашли способ снизить необходимое для выращивания алмазов тепло настолько, чтобы их можно было включить в стандартный процесс производства кремния. Прорыв означает, что более быстрые и энергоэффективные компьютерные чипы на основе алмазов являются гораздо более реалистичным предложением.
«Если мы хотим внедрить алмаз в производство на основе кремния, то нам нужно найти метод выращивания алмаза при более низкой температуре», — сказал в своем заявлении ведущий автор исследования Юрий Барсуков, научный сотрудник по вычислительным исследованиям в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) . «Это может открыть двери для индустрии кремниевой микроэлектроники».
Алмазы обычно производятся с помощью процесса, называемого «плазменно-химическое осаждение из паровой фазы», при котором тонкие пленки ацетилена в газообразном состоянии осаждаются в твердом состоянии на подложку.
Предыдущие эксперименты показали, что ацетилен может способствовать росту алмазов, но он также приводит к росту сажи, которая образуется поверх алмаза и препятствует его использованию в чипах, датчиках и оптике, заявила команда. Ученые ранее не понимали факторов, которые заставляли ацетилен превращаться либо в сажу, либо в алмаз.
«Теперь у нас есть ответ», — сказал Барсуков в своем заявлении. «Как и у воды в лед, существует критическая температура для перехода одной фазы в другую. Выше этой критической температуры ацетилен в основном способствует росту алмазов. Ниже этой критической температуры он в основном способствует росту сажи».
Ученые обнаружили, что «критическая температура» зависит от концентрации ацетилена и присутствия атомарного водорода вблизи поверхности алмаза. Атомы водорода не являются прямым топливом для роста алмаза, но они имеют решающее значение для содействия росту алмаза — даже при гораздо более низких температурах.
Защита квантового алмаза
Но это лишь одна часть уравнения. Способ, которым атомы связываются в алмазе, делает его хорошо подходящим для квантовых вычислений, защищенных коммуникаций и высокоточных датчиков. Поэтому исследование, опубликованное 11 июля в журнале Advanced Materials Interfaces, изучало, как еще больше подготовить алмазы для использования в сложной электронике. Оно сосредоточено вокруг поверхностей «квантового алмаза», в которых атомы углерода удаляются, а соседний атом заменяется азотом — создавая то, что ученые называют «азотно-вакансионными центрами». Ученые заявили в исследовании, что поверхность этих сложных алмазов должна быть защищена, при этом азотно-вакансионные центры должны оставаться нетронутыми.
«Электроны в этом материале не ведут себя в соответствии с законами классической физики, как более тяжелые частицы», — сказал в заявлении Аластер Стейси, руководитель отдела квантовых материалов и устройств в PPPL. «Вместо этого, как и все электроны, они ведут себя в соответствии с законами квантовой физики. Но мы можем использовать эти квантово-механические свойства, создавая кубиты », — добавил он. Кубиты в квантовых вычислениях занимают то же место, что биты в обычных вычислениях, и позволяют выполнять вычисления параллельно.
«Преимущество кубитов в том, что они могут хранить гораздо больше информации, чем обычные биты», — сказал Стейси. «Это означает, что они также могут дать нам гораздо больше информации об окружающей среде, что делает их чрезвычайно ценными, например, в качестве датчиков».
Ученые стремились создать единый слой водорода на поверхности квантового алмаза, равномерно распределенный, не меняя ничего под поверхностью. В июльском исследовании они исследовали методы добавления этого единого слоя на поверхность алмаза более надежным способом, не вызывая никаких повреждений.
Водородный слой обычно добавляется путем воздействия на алмаз водородной плазмой при высокой температуре — но азотно-вакансионные центры не могут справиться с этими условиями. Вместо этого ученые предложили два альтернативных метода: «формирующий газовый отжиг» и «холодное плазменное завершение». Первый метод использует смесь молекул водорода и азотного газа, тогда как последний использует водородную плазму, но избегает прямого нагрева алмаза плазмой.
Оба метода создали гидрогенизированный алмаз, который мог проводить электричество. Ни один из методов не был идеальным, но оба были намного лучше обычного метода в плане избежания повреждения азотно-вакансионных центров, заявили исследователи в исследовании. Они добавили, что их следующими шагами являются исследования новых методов создания высококачественных гидрогенизированных алмазных поверхностей с идеальными азотно-вакансионными центрами.
Прочитайте что такое взгляд в будущее
Читайте ещё статьи из Рубрики: инновации-технологии-наука