Современные смартфоны, ноутбуки и дата-центры постепенно достигают своего физического предела. Кремний, верой и правдой служивший электронике полвека, перестает справляться с задачами при переходе к сверхмалым размерам. Решение этой проблемы российские физики видят в создании новых «умных» материалов на основе графена, и идут к нему не через дорогостоящие эксперименты, а с помощью компьютерного моделирования.
Главная беда современных транзисторов — это размеры. Когда элементы становятся нанометровыми, в игру вступают квантовые эффекты, которые нарушают работу устройств. Кроме того, плотная упаковка миллиардов транзисторов приводит к колоссальному тепловыделению.
«Замену кремнию сегодня мы ищем именно среди полупроводников, способных выделять меньше тепла и не «сбоить» на наноуровне, – пояснила старший преподаватель кафедры «Физика наноразмерных систем» Мария Каплун. – Обычный графен (однослойный углерод) — это полуметалл с нулевой запрещенной зоной, что делает его малопригодным для транзисторов. Однако его модификации открывают огромные перспективы. В этом уникальность этого материала. Мы исследуем графен и с помощью компьютерного моделирования предлагаем варианты, в каких условиях он может быть полупроводником. Объектами нашего моделирования стали два типа структур: графеновые наноленты и двухслойный графен».
Свойства нанолент напрямую зависят от их ширины и обработки краев, что позволяет получать из них как сверхпроводники, так и нужные полупроводники. Особый интерес ученых вызвала малоизученная промежуточная структура двухслойного графена. Это «белое пятно» в науке, которое обещает открыть новые свойства для наноэлектроники.
Чтобы не перебирать тысячи вариантов в реальной лаборатории (что требует колоссальных затрат времени и ресурсов), исследователи используют метод Ab Initio — моделирование «из первых принципов». По сути, суперкомпьютер решает уравнение Шрёдингера для каждой структуры, предсказывая ее свойства до того, как материал будет физически создан.
«Экспериментально можно искать новый материал годами и не найти, — пояснила Мария Викторовна. — И это требует колоссальных материальных затрат. Моделирование же занимает от недели до месяца и ускоряет процесс примерно в тысячу раз. Это еще и экономически выгодно».
Работа ведется в масштабах на уровне ангстремов (10 в минус десятой степени метра). Для сравнения: толщина таких наноструктур в сотни тысяч раз тоньше человеческого волоса. Если говорить о будущих устройствах, то процессоры на новых материалах не станут меньше визуально, но их быстродействие вырастет значительно.
По словам Марии Каплун, графеновые структуры настолько универсальны, что найдут применение везде: в гибкой электронике, высокочастотных транзисторах, спинтронике и даже квантовых технологиях. Хотя прямое снижение энергопотребления не гарантировано (увеличение числа элементов в устройствах потребует больше энергии), эти материалы решают более фундаментальную задачу — позволяют электронике развиваться дальше, не ограничиваясь законами физики.
Ученые признают: идеальные модели могут отличаться от реальных образцов из-за неизбежных дефектов. Однако ошибка расчетов, согласно верификации, не превышает 10%, что является хорошим показателем.
Следующий шаг в исследовании, посвященном «приручению» графена, — публикация результатов и поиск кооперации с лабораториями для создания первых физических прототипов. В перспективе это возможнос коллаборации молодых ученых-теоретиков и групп инженеров-электроников ЮУрГУ.
Таким образом, российская наука делает ставку на «умные» углеродные структуры, которые могут стать основой для электроники будущего.
В ЮУрГУ проект реализуется в рамках Грантовой программы В.Б. Христенко «Шаг в будущее». Это программа ежегодной финансовой поддержки программы развития Университета в рамках «Приоритет-2030». Гранты предоставляются на проведение перспективных исследований, формирование кадрового резерва и реализацию уникальных образовательных программ (компонентов), определяющих вектор развития ЮУрГУ и Челябинской области.