• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Naukowcy unijni stworzyli nadprzewodnik ze starego półprzewodnika

    02.06.2009. 15:11
    opublikowane przez: Maksymilian Gajda

    Naukowcom z Niemiec udało się przekształcić stary półprzewodnikowy element z germanu w materiał nadprzewodnikowy. Wyniki badań opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters mają niebagatelne znaczenie dla nanoelektroniki i opracowywania komputerów nowej generacji.

    Badania zostały w części sfinansowane z projektu EuroMagNET (Skoordynowane podejście do dostępności, doświadczalnego opracowywania i wykorzystania naukowego dużych infrastruktur europejskich do silnych pól magnetycznych), który uzyskał wsparcie na kwotę 3,68 mln EUR z tematu "Infrastruktury" Szóstego Programu Ramowego (6PR).

    Półprzewodniki przewodzą prąd elektryczny i są wykorzystywane do budowy urządzeń elektronicznych od tranzystorów po komputerowe układy scalone i panele słoneczne. Nadprzewodnictwo, po raz pierwszy zaobserwowane w 1911 r., to zjawisko kwantowo-mechaniczne, dzięki któremu materiał posiada zdolność do przewodzenia prądu niezwykle szybko, bez jakiegokolwiek oporu elektrycznego. Dzieje się tak zwykle w bardzo niskim temperaturach (nieco powyżej -273 stopni Celsjusza lub 0 stopni na skali Kelwina) lub w warunkach bardzo wysokiego ciśnienia.

    Naukowcy szukali materiału, który mógłby zapewnić przewidywalne i niezawodne właściwości elektroniczne. Musiałby być czysty chemicznie i mieć doskonałą strukturę krystaliczną, ponieważ domieszki czy skazy, nawet najmniejsze, mogą mieć ogromny wpływ na przewodność materiału. Z uwagi na powyższe obecnie wykorzystuje się specjalne metody do hodowania i oczyszczania kryształów.

    Krzem i german są znane jako "czyste" półprzewodniki lub pierwiastki, które można przekształcić w materiały przewodnikowe po dodaniu obcych atomów do ich struktury krystalicznej w procesie zwanym "domieszkowaniem". W ostatnich badaniach, przeprowadzonych w Centrum Badawczym Dresden-Rossendorf (FZD) w Niemczech, próbki germanu domieszkowano około sześcioma atomami galu na 100 atomów germanu. Naukowcy wybrali gal ponieważ lepiej rozpuszcza się w germanie niż bor (który wykorzystywano w połączeniu z krzemem we wcześniejszych badaniach).

    Uzyskano nadprzewodnikową warstwę "domieszkowanego" germanu o grubości około 60 nanometrów. Dalsze doświadczenia wykazały, że można odtworzyć nadprzewodnictwo germanu i podnosić temperaturę, w której elementy stają się nadprzewodnikami.

    Jednakże proces domieszkowania uszkadza sieć przestrzenną kryształu germanu, która wymaga naprawy, jeżeli ma przydać się w produkcji. W tym celu naukowcy wykorzystali technikę wygrzewania lampą błyskową (FLA), która może naprawić zniszczoną sieć przestrzenną kryształu poprzez szybkie nagrzewanie powierzchni próbki bez wpływu na rozmieszczenie "domieszkowanych" atomów.

    Nowy materiał ma ogromny potencjał, zwłaszcza dzięki możliwości osiągania nadprzewodnictwa w temperaturze powyżej zera bezwzględnego - próbki germanu domieszkowane galem osiągały nadprzewodnictwo w temperaturze około 0,5 K. Naukowcy z optymizmem oczekują, że tę temperaturę uda się podnieść w kolejnych wspólnych doświadczeniach, które pozwolą udoskonalić procesy implantacji jonów i wygrzewania.

    Wyniki są zaskakujące, ponieważ germanu nie uważano za tak obiecujący materiał jak krzem czy diament, i mimo że zastosowano go w pierwszej generacji tranzystorów, szybko został zastąpiony krzemem. Ponowne zainteresowanie germanem wiąże się ze stale zmniejszającym się rozmiarem tranzystorów i mikroukładów - teraz do tranzystorów potrzebne są niezwykle cienkie warstwy tlenków, a tlenek krzemu nie sprawdza się dobrze w tak małych rozmiarach. Wykorzystanie germanu w komputerowych układach scalonych może przyśpieszyć procesy, jednocześnie dając możliwości dalszej miniaturyzacji w zastosowaniach mikro- i nanoelektronicznych.

    Źródło: CORDIS

    Więcej informacji:

    EuroMagNET:
    http://www.euromagnet2.eu

    Physical Review Letters:
    http://prl.aps.org

    Forschungszentrum Dresden Rossendorf:
    http://www.fzd.de

    Źródło danych: Forschungszentrum Dresden Rossendorf; Physical Review Letters
    Referencje dokumentu: Herrmannsdörfer, T., et al. (2009) Superconducting state in a gallium-doped germanium layer at low temperatures. Physical Review Letters 102:217003. DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.217003.

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Dioda germanowa to dioda półprzewodnikowa wykonana z kryształu germanu. Odznacza się niskim spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia (0,2 V) i małą odpornością na wysoką temperaturę. Homozłącze to złącze p-n, które powstaje w strukturze jednego półprzewodnika (np. krzemu, germanu) rozgraniczając obszar typu p, domieszkowany akceptorami, od obszaru typu n, domieszkowanego donorami. Germanowy tranzystor stopowy to tranzystor stopowy wykonany z cienkiej płytki słabo domieszkowanego germanu będącego bazą z wtopionymi w temperaturze około 550 °C po przeciwnych stronach kulkami metalu. Wtopienie metalu zmienia typ półprzewodnika na przeciwny, tworząc obszary emitera i kolektora.

    Domieszkowanie – wprowadzanie obcych jonów/atomów do sieci krystalicznej metalu, półprzewodnika lub materiału ceramicznego tworzących roztwory stałe. Domieszkowanie stosowane jest w celu modyfikacji wybranych właściwości materiału np.: optyczne, elektryczne, magnetyczne czy mechaniczne. Ilość wprowadzanej domieszki nie przekracza zazwyczaj kilku procent atomowych (kilka atomów domieszki na 100 atomów sieci macierzystej). Nadprzewodnictwo – stan materiału polegający na zerowej rezystancji, jest osiągany w niektórych materiałach w niskiej temperaturze.

    Sylit – materiał ceramiczny o dobrej przewodności elektrycznej, stosowany jako element grzejny w elektrycznych piecach oporowych. Otrzymywany jest przez spiekanie węgliku krzemu (karborundu) z krzemem pierwiastkowym zmieszanych z gliceryną. Wypalanie przeprowadza się w atmosferze tlenku węgla lub azotu w temperaturze 1 500 °C. Implantacja jonów – domieszkowanie materiałów polegające na rozpędzeniu jonów w polu elektrycznym i zderzeniu z domieszkowanym materiałem. Jony metali (najczęściej grupy 13 i 15) uderzając w półprzewodnik niszczą jego strukturę krystaliczną. Dlatego też niezbędny jest później proces wygrzewania poimplantacyjnego, który ma za zadanie odbudowę struktury oraz aktywację elektryczną domieszki. Głębokość domieszkowania zależy od energii jonów w czasie zderzenia, masy jonu, rodzaju podłoża, a także od kierunku padania wiązki na płytkę podłożową.

    Physical Review (często używany skrót: Phys. Rev.) – czasopismo naukowe publikujące prace naukowe ze wszystkich gałęzi fizyki. Wydawane przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne (American Physical Society, APS). Założony w roku 1893 Physical Review jest najstarszym wciąż wydawanym i jednym z najbardziej prestiżowych czasopism poświęconych fizyce. NCS (ang. NanoPierce Connection System) to opracowany przez firmę NanoPierce Technologies system montażu układów scalonych, w którym zamiast tradycyjnych "nóżek" wykorzystuje się specjalne obudowy z kryształkami krzemu. Umożliwia to zmniejszenie obudów "kości" do rozmiaru znajdujących się w nich kryształów krzemu. Zbędne stają się w ten sposób tradycyjne "nóżki", których liczba decyduje w pewnym stopniu o wielkości całego układu. Nowy sposób montażu - NCS - polega na zastosowaniu mikroskopijnych pól kontaktowych - zarówno na obudowie, jak i płytce drukowanej urządzenia elektronicznego. Powierzchnię kontaktu pokrywa się cienką warstwą proszku diamentowego oraz kleju, zapewniającego niezbędną odporność mechaniczną połączenia. Po lekkim dociśnięciu układu scalonego do płytki, kryształki diamentu wbijają się w metal, zapewniając przepływ prądu elektrycznego między obiema powierzchniami. Jak informują przedstawiciele NanoPierce, dzięki ich metodzie układy scalone mogą stać się nawet 10-krotnie mniejsze niż dotychczas, co z pewnością wpłynie na wielkość samych urządzeń elektronicznych oraz komputerów.

    Tranzystor ze złączem wyciąganym (tranzystor wyciągany, tranzystor krystalizowany) to najwcześniejszy rodzaj tranzystora bipolarnego. W 1948 r. pracujący w laboratoriach firmy Bell Telephone Laboratories William Bradford Shockley opracował teoretycznie tranzystor złączowy, który w 1950 wykonano z germanu metodą złącza wyciąganego. Pierwsze tranzystory krzemowe wyprodukował tą metodą Texas Instruments w 1954 roku. Obecnie metoda nie jest stosowana do produkcji tranzystorów, ale wykonuje się za jej pomocą fotoogniwa.

    Grafen – jest płaską strukturą złożoną z atomów węgla, połączonych w sześciokąty. Ze względu na wygląd przypomina plaster miodu. Ponieważ materiał ten ma jednoatomową grubość, uważa się go za strukturę dwuwymiarową. Opis teoretyczny grafenu powstał już w 1947 w pracy Wallace’a. Jednak w tym samym okresie opublikowano szereg innych prac, w których dowodzono, że grafen, jak i inne materiały dwuwymiarowe, nie może istnieć w przyrodzie.

    Nanomateriały – wszelkie materiały, w których występują regularne struktury na poziomie molekularnym, tj. nie przekraczającej 100 nanometrów. Granica ta może dotyczyć wielkości domen jako podstawowej jednostki mikrostruktury, czy grubości warstw wytworzonych lub nałożonych na podłożu. W praktyce granica poniżej której mówi się o nanomateriałach jest różna dla materiałów o różnych właściwościach użytkowych i na ogół wiąże się to z pojawieniem szczególnych właściwości po jej przekroczeniu. Zmniejszając rozmiar uporządkowanych struktur materiałów można uzyskać znacznie lepsze właściwości fizyko-chemiczne, mechaniczne, itp. Lak – materiał mający właściwość mięknięcia w podwyższonej temperaturze aż do postaci półpłynnej oraz zastygania w temperaturze pokojowej. Po zastygnięciu trwale zachowuje kształt, który miał w trakcie obniżania temperatury i ma dobrą przyczepność do papieru i materiałów tekstylnych (płótna, także nici itp.), przy czym jest stosunkowo kruchy.

    Implantowanie jonowe, implantacja jonowa w inżynierii materiałowej to proces wbudowywania obcych atomów w ciało stałe. Dokonywany jest poprzez jonizację tych atomów, dostarczania im dużej energii (rozpędzania ich) podczas ich ruchu w polu elektromagnetycznym i kierowanie ich na próbkę ciała stałego. Pozwala to na dawkowanie dowolnych pierwiastków z wysoką precyzją. Głębokość wnikania implan­towanych jonów jest niewielka, więc zmiany są powierzchniowe i procesy zewnętrzne (chemikalia, tarcie) mogą szybko zniszczyć taką warstwę. Inną wadą tej metody jest wysoka cena implantatorów i samego procesu. Elektroceramika - rodzaj materiału, który jest stosowany w elektrotechnice jako dielektryki bądź półprzewodniki. Materiał ten wykazuje dużą wytrzymałość, rezystywność elektryczną, odporność na wysokie temperatury oraz małą stratność elektryczną. Do elektroceramiki zalicza się porcelany.

    Materiał termolabilny – materiał wrażliwy na wysoką temperaturę. Po poddaniu go wysokiej temperaturze traci on pierwotny kształt. Do materiałów termolabilnych zaliczamy między innymi termoplastyczne tworzywa sztuczne. Przedmioty wykonane z takich materiałów nie nadają się do sterylizacji termicznej. Należy do nich np. medyczny sprzęt jednorazowego użytku.

    Dodano: 02.06.2009. 15:11  


    Najnowsze