Изобретение ученых Техниона - технология толщиной в один атом

Разработки израильских исследователей открывают путь к созданию нового поколения миниатюрных и гораздо более быстрых микросхем.

Исследователи Техниона - Израильского технологического института разработали новый источник света на основе одного атомного слоя. Это открытие основано на взаимодействии одиночного атомного слоя с решетками наноантенн в кремниевом чипе путем создания дефектов в фотонных кристаллах. 

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Nanotechnology, открывают возможность управлять вращением фотонов, испускаемых двумерной материей, позволяя создавать новые фотонные устройства, основанные на «спиновой оптике атомного масштаба».

Исследование проводилось исследовательской группой профессора Эреза Хасмана, руководителя лаборатории атомной фотоники, в сотрудничестве с профессором Эладом Кореном, руководителем лаборатории наноразмерных электронных материалов и устройств отделения материаловедения и инженерии. Обе группы связаны с Квантовым центром им. Хелен Диллер и Институтом нанотехнологий Техниона им. Рассела Берри. Исследование вели д-р Кексиу Ронг и д-р Бо Ван совместно с д-ром Эльхананом Магидом, д-ром Владимиром Кляйнером, Ави Реувеном, Баром Коном и Шаулем Кацнельсоном.

Что такое двухмерные материалы? По словам проф. Корена, «возможность создания единого атомного слоя была впервые исследована в 2004 году, когда физики Андре Гейм и Константин Новоселов, впоследствии лауреаты Нобелевской премии (2010), разработали простой метод создания отдельных слоев из атомов углерода. Они прикрепили к куску графита клейкую бумагу и отслаивали материал до тех пор, пока не остался единственный слой атомов, названный ими "графен". Гейм и Новоселов продемонстрировали, что одноатомный слой материи очень отличается по своим свойствам от свойств материи в ее трехмерной форме. Такой материал в 100 раз прочнее стали и обладает исключительными электрическими свойствами, и способен в будущем произвести революцию в таких областях, как проводники и полупроводники, мониторы и экраны, солнечные элементы и ​​многих других. Вслед за их открытием такие же атомные слои были созданы из других материалов, и они также проявляют удивительные и уникальные свойства».

Проф. Хасман отмечает, что «в результате открытия графена были обнаружены и изучены многие двумерные материалы, в том числе различные полупроводники, которые показали интересные оптические свойства. Стандартные электронные микросхемы основаны на кремнии, что серьезно ограничивает развитие компьютеров следующего поколения, требующих сочетания электроники и фотоники, отчасти из-за отсутствия в кремнии важного условия, называемого «прямая запрещенная зона». К нашему удивлению, такая запрещенная зона обнаружилась в двумерных полупроводниках, что позволяет комбинировать фотонику и электронику в нанометровом масштабе, использовать их для создания источников света и активных фотонных устройств и прокладывать путь для будущих поколений микросхем.»

Так называемая "спинтроника" - наиболее популярный сегодня подход к дальнейшей миниатюризации электронных печатных плат и повышению скорости обработки и передачи информации - означает выполнение операций со "спином", важным свойством, характеризующим собственное вращение электронов, а не с их потоком. В 2001 году профессор Хасман основал новую научную область, называемую спиновой оптикой, которая позволяет использовать спин фотонов с использованием метаповерхностей для передачи и обработки информации в фотонных микросхемах. 

Передача информации основана на управлении фотонным спином с помощью нанофотоники - оптики в нанометровом масштабе. Полупроводниковые материалы из-за нарушенной инверсионной симметрии их структур обладают уровнями энергии электронов, характеризующимися новой степенью свободы - долиной - которая может управлять спин-селективным излучением света. Исследователи Техниона решили воспользоваться этой особенностью, создав взаимодействие одного атомного слоя селенида вольфрама (WSe2) с наноантеннами, что позволяет нарушить симметрию фотонного спина. Это приведет к созданию микросхемы атомного масштаба, которая управляет и обрабатывает информацию долины посредством фотонного спина.

Исследователи разработали двумерную фотонно-кристаллическую структуру из кремния, которая создает энергетическую щель в спектре излучения двумерного материала так, что связь атомного полупроводника с фотонным кристаллом блокирует все оптические каналы излучения от двумерного материала. Создавая "умные" дефекты в фотонном кристалле, контролируя фазу дефектов с их геометрией и связывая их между собой, исследователи создали источник света из единственного атомного слоя, который разделяет и сортирует спины фотонов, испускаемых двумерным полупроводником. Это открытие позволит объединить спинтронику и спин-оптику для разработки широкого спектра устройств атомного масштаба.

Проф. Хасман: «Данное исследование демонстрирует важность междисциплинарных исследований, сочетающих физику, химию, материаловедение и инженерию».

Исследование было поддержано Израильским научным фондом (ISF), министерством науки, технологий и космоса Израиля, Управлением научных исследований ВВС США и, частично, программой стипендий им. Али Кауфман в Технионе. Техническая работа была выполнена в отделе изготовления и печати микро-нано приборов (MNF & PU) Техниона.

Источник: MFA
Фото: Технион