Лозаннские ученые совершили революцию в электронике

Лаборатория Федеральной политехнической школы Лозанны открыла тайные свойства молибденита: из минерала можно производить гораздо более экономные и легкие микрочипы, чем из традиционно используемых в нанотехнологиях кремния и графена. Использование нового материала может снизить расход энергии в 100 тысяч раз.

Материал, способный перевернуть мир наноэлектроники: молибденит, мягкий свинцово-серый минерал, позволит делать куда более легкие, маленькие и экономные в расходе энергии микросхемы и транзисторы, чем традиционные кремний и графен. К такому результату, исследовав свойства сульфида молибдена (MoS2) пришли ученые Лаборатории электроники и наноструктур Федеральной политехнической школы Лозанны (LANES). Свои наблюдения они опубликовали в научном журнале «Nature Nanotechnology».  

Исследователи обнаружили, что сульфид молибдена является эффективнейшим полупроводником и вполне мог бы найти применение в нанотехнологиях. Залежи молибденита встречаются в довольно большом количестве в природе, этот минерал применяется в сплавах сталей и в качестве компонента для смазок. Кроме того, его использовали в радиотехнике для изготовления детекторов. Но с точки зрения электроники наномасштабов свойства молибденита не были изучены до недавнего времени.

«Этот двумерный материал можно легко использовать в нанотехнологиях. У него интересный потенциал, в частности, для производства микроскопических транзисторов, а также светодиодов (LED) и фотогальванических ячеек», - объясняет профессор Андрас Кис, работающий над проектом вместе со своими коллегами, кандидатами наук Бранимиром Радисавлевичем и Джакопо Бривио и профессором Александрой Раденович. Они сравнили характеристики молибденита со свойствами двух традиционных в нанотехнологиях материалов: кремния, главного компонента для изготовления микрочипов, и графена, за открытие которого в 2004 году профессорам Манчестерского университета Андре Гейму и Константину Новоселову было присуждена Нобелевская премия по физике 2010 года.

Одно из главных преимуществ молибденита заключается в том, что это гораздо менее объемный материал, чем кремний, трехмерный в структуре элемент: «В слое сульфида молибдена толщиной 0,65 нанометров, электроны могут перемещаться также свободно, как на кусочке кремния толщиной 2 нанометра», - уточнил Андрас Кис. – «То есть сегодня невозможно изготовить пластинки кремния столь же тонкие, как один слой MoS2».

Еще одним неоспоримым преимуществом является расход энергии: молибденит позволяет делать транзисторы, расходующие в 100 000 раз меньше энергии в активном состоянии, чем традиционные кремниевые.

Выходит вперед сульфид молибдена и по еще одному важному показателю: он является идеальным полупроводником с точки зрения ширины запрещенной зоны - минимальной энергии, необходимой для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости для активизации или выключения транзистора. У молибденита этот показатель равняется 1,8 электрон-вольт.

В упрощенном виде свойство, полезное в наноэлектронике, можно объяснить следующим образом. В физике твердых тел так называемая зонная теория проводимости описывает значения энергий электрона внутри материалов. В полупроводниках, в отличие от проводников, зоны с разными энергиями не перекрываются, их разделяют так называемые запрещенные зоны – не слишком узкие, и не слишком широкие. В зависимости от того, при каком значении энергии электроны могут пересечь эти «закрытые» зоны, полупроводник легко контролировать, активизируя или отключая.

В графене, полуметалле, который считается материалом будущего в электронике, нет запрещенных зон. На данный момент ученые исследуют возможности заполнить этот пробел и создавать их искусственным образом. В отличие от графена структура молибдена позволяет этому материалу быть более управляемым в электрическом плане.