Ученые из IBM обнаружили интересный физический феномен на примере «нанопроволочек» из полупроводников



    В наше время миниатюризация — один из основных факторов, обуславливающих технический прогресс. В самом деле, сейчас в вычислительной технике используются проводники, толщина которых в тысячи раз меньше толщины волоса человека. Благодаря исчезающе малым размерам становится возможным создавать мощные, производительные чипы малых размеров, способных делать то, на что не были способны вычислительные узлы прошлых лет, занимавшие целые комнаты.

    Сейчас активно развивается технология передачи данных при помощи световых сигналов, в пределах одного чипа. Это возможно благодаря объединению оптических элементов с полупроводниками, графеном и углеродными нанотрубками, когда вся система размещается на подложке из кремния.

    Передача данных с использованием подобной системы обычно означает необходимость преобразования электрических сигналов в световые, и обратно. Для преобразования первого типа обычно используются материалы III-V групп полупроводников, которые излучают свет. Ну, а для обратного преобразования, света в электричество используются кремний и германий.

    Команда ученых из IBM обнаружила интересный физический феномен, который может привести к тому, что в будущем один и тот же материал будет использоваться как для излучения света, так и для его преобразования в электричество, в пределах одного чипа.

    В журнале Nature Communications на днях была опубликована статья ученых цюрихского подразделения IBM Research. В статье шла речь о том, что «нанопроволочки» из полупроводника могут служить как эффективными излучателями света, так и эффективными фотодетекторами. А для переключения вещества из состояния «излучение» в состояние «детектирование» нужно механическое напряжение.

    «Когда вы растягиваете нанопроводник по всей длине, материал переходит в состояние, которое мы называем „запрещенная зона с прямым переходом“ (direct bandgap), в котором он эффективно излучает свет. Но когда вы сжимаете проводник по оси, его электронные свойства меняются, материал прекращает излучать свет. Это состояние мы называем „псевдопрямозонным“ (pseudo-direct), в этом состоянии материалы III-V группы ведут себя подобно германию или кремнию, и становятся хорошими фотодетекторами», — комментирует открытие один из исследователей, Giorgio Signorello.

    «Эти необычные свойства являются следствием того, что атомы весьма специфично располагаются в таком проводнике. Мы называем эту кристаллическую структуру „Wurtzite“. Реализация такой структуры возможна только благодаря сверхмалым размерам нанопроволоки. Вы не сможете достичь тех же свойств материала при размерах, видимых глазу. Это отличный пример мощи нанотехнологий», — говорит коллега первого ученого, Heike Riel.

    Как уже говорилось выше, подобный феномен может открыть возможность создания устройств по оптической передаче данных, где один и тот же материал используется как для излучения света, так и для его детектирования.

    А это означает новые достижения, новые прорывы в данной сфере.

    Via rdmag + ibmresearchnews
    IBM
    Company

    Comments 33

      +2
      Ого, а если сделать из проволочек матрицу? Это же огромный прорыв в фотосенсорах и излучателях получается. Или матрица не получится?
        +11
        Фотоматрица и фонарик 2 в 1? Хмм…
          +3
          Или самозарядная вспышкоматрица.
            0
            Камера, самозасвечивающая фотографии (при условии, что свойства всей поверхности матрицы неоднородный в момент снимка).
            +11
            Фотоматрица и фонарик 2 в 1? Хмм…

            Что-то такое
            Содержимое

            +1
            Если я правильно понял, то не получится:

            Подобная структура появляется только в проводниках сверхмалого размера. Вы не сможете достичь тех же свойств материала при размерах, видимых глазу. Это отличный пример мощи нанотехнологий
              +7
              Очень много датчиков укомпонованных в матрицу?
                +5
                Встречайте, новый Samsung Galaxy S9 c 10-гигапиксельной матрицей и встроенным маяком!
              +8
              Управляемое зеркало.

              Подошел к нему, а оно тебе мешки под глазами, бороду и пузо убрало.
                +15
                И жену увело
              0
              Зачем делать световую коммуникацию в рамках одного чипа?
                +2
                гальваническая развязка? снижение мощности?
                  +8
                  Еще с топологией можно играться: лучи света можно перекрещивать, а проводники надо раскидывать по нескольким слоям металлизации. А более плотное расположение элементов — это меньшие задержки при передаче данных, а значит и возможность работать на больших частотах (если не мешают другие ограничивающие факторы).
                    +1
                    Насколько мне известно, одной из проблем чувствительности Лазерных Гироскопов к малым угловым скоростям является то, что возбужденные в среде неонового резонатора встречные излучения лазера самосинхронизируются друг с другом из-за близости частот стоячих волн.
                    Может некорректно изложил суть проблемы, но, если не ошибаюсь, в невакуумной среде несонаправленные лучи лазера могут влиять друг на друга.
                  +7
                  Потому что это выгодно.

                  Металлические проводники:

                  • греются — тепловые потери
                  • имеют емкость и индуктивность — реактивные потери
                  • подвержены взаимовлиянию — искажение формы сигналов, нельзя поднимать частоту
                  • нельзя легко вывести за пределы чипа — нужны буферы и прочая ересь
                  • занимают много места; одна связь — один проводник
                  • влияние ЭМИ и электростатики, наконец

                  Оптические связи лишены всех перечисленных недостатков. Плюс к тому их легко мультиплексировать (по частотам и поляризации), так же легко разделять. Не говоря уже о том, что они способны работать на гораздо бо́льших частотах.
                    +1
                    Оптические-то лишены. А конвертирование туда-сюда бесплатное удовольствие?
                      +2
                      Во-первых, потери энергии при конвертировании могут оказаться в разы меньше, чем активные и реактивные потери в меди. Подобные системы существуют и активно применяются (для других, впрочем, целей). Оптопары называются.

                      Во-вторых, что вы предпочтете, классический процессор работающий на частоте в 5 ГГц, с трудом охлаждаемый азотом, или холодный оптический чип, спокойно работающий на 50 Ггц с соответствующей производительностью? Дело не в том сколько энергии оно ест, а в том, стоит ли эта энергия того чтобы ее тратить.

                      P.S.: Фактические цифры знают только исследователи, поэтому гадать бессмысленно. Но преимущества и недостатки каждого подхода можно оценить и без этого.
                        0
                        Ограничение в 3-10 ГГц связано в том числе со скоростью света, читать тут: habrahabr.ru/post/122428/. И оптика вам в этом не поможет, а помогает техпроцесс и архитектура задающая длину линий связи.
                  –3
                  Светящиеся «нейроматрицы» и прочие «позитронные мозги» из научной фантастики про андроидов не за горами?
                    0
                    А механика фатально не скажется на долголетии чипа?
                    А как растягивать, пьезоэффектом?
                      +1
                      мб, можно фиксировать состояние материала в чипе?
                        0
                        Да, скорее всего пьезоэффектом. Кварцевые резонаторы дергаются на гигагерцовых частотах десятилетиями и не рассыпаются. Так и тут будет. Никто же не говорит что его надо на ±сантиметр деформировать.
                          +1
                          Вот только что-то мне подсказывает, что придется долго и упорно проектировать структуру так, чтобы тепловая деформация не портила работу. Потому как свет светом, а тепловыделение от основной логики никто не отменял.
                            0
                            Термостабилизация — задача решаемая.
                              0
                              В том-то и проблема, что не термостабилизация параметров, а механическая стабилизация размеров на таких масштабах. Кстати, интересно как на такие структуры воздействуют и механические вибрации. В общем, посмотрим, случится ли практическое применение.
                                0
                                В Analog Devices как раз кичатся хвастаются своими Ноу-Хау в области MEMS. Стабилизация микромеханических структур, особенно в кремнии, одна из самых больших, если не главная, проблем микромеханических датчиков. Но проблема здесь, кажется, технологическая, но не фундаментальная.
                          +4
                          „управляемой энергетической щелью“ (direct bandgap) — по-русски это будет «запрещенная зона с прямым переходом», а полупроводник становится псевдопрямозонным (pseudo-direct) из непрямозонного.
                          Несложно же посмотреть в любом учебнике по физике твердого тела (да даже в википедии) нормальные термины. Что такое «управляемая энергетическая щель», никому непонятно, что такое «псевдопрямозонный полупроводник» — поймет каждый, кто немного знаком с ФТТ.
                            0
                            Опередили вы меня. (Карма, однако, не позволяет плюсануть.) Но тогда вопрос от человека, немного знакомого с ФТТ, что всё же стоит за словом псевдопрямозонный? Банально запрещённые отбором, но осуществляемые переходы или нечто более сложное?
                              0
                              Исправлено, спасибо.
                              +1
                              Переводчику, разумеется, простительны фактические и смысловые ошибки, однако следует обратить внимание на некоторые моменты.

                              > Для преобразования первого типа обычно используются материалы III-V групп полупроводников, которые излучают свет. Ну, а для обратного преобразования, света в электричество используются кремний и германий.

                              В целом вранья здесь нет, но было бы точнее сказать, что для излучения используются прямозонные полупроводники, а для поглощения — непрямозонные. ru.wikipedia.org/wiki/Запрещённая_зона Список тех и других. Отличие их состоит в том, что в прямозонных для акта поглощения или излучения изменение импульса не требуется, а в непрямозонных — требуется; таким образом, в прямозонных полупроводниках возможно излучение и затруднено поглощение (за счёт высокой вероятности переизлучения), а в непрямозонных наоборот, поглощение намного вероятнее излучения (за счёт низкой вероятности совпадения появления фонона с нужным импульсом и актом рекомбинации электрона).

                              > состояние, которое мы называем „управляемой энергетической щелью“ (direct bandgap)

                              Неправда. Direct bandgap и есть direct bandgap — прямая запрящённая зона. Никто никаких новых определений не вводил.

                              > Мы называем эту кристаллическую структуру „Вюрцит“ (Wurtzite). Подобная структура появляется только в проводниках сверхмалого размера.

                              Это полный фуфел: вюрцит — вполне конкретный минерал. Это название используется в кристаллографии как характеристика структур подобного гексагонального строения, наравне с цинковой обманкой (тот же сульфид цинка в другой конфигурации). Сейчас у меня, к сожалению, нет доступа к полному тексту статьи, поэтому не могу пока сказать, что имелось в виду. Видимо, речь о том, что арсенид галлия, о котором идёт речь в статье, обычно обладает именно сфалеритовой структурой, и вюрцитоподобная фаза может быть реализована только в наноструктурах.

                              В целом же, хотя пока про механически (или термически, или любым другим, помимо выращивания соответствующей структуры, способом) управляемый переход из прямого в непрямой поулпроводник я ничего конкретного не нашёл, революции вроде бы нету, потому что изменение свойств зон при механическом напряжении — и теоретически и практически общеизвестная вещь, пруфы: www.nature.com/nnano/journal/v9/n2/full/nnano.2013.277.html www.iue.tuwien.ac.at/phd/dhar/node16.html Но! Врать не буду, нужно изучать детальнее.
                                +1
                                Спасибо за комментарий, исправил термины из второго пункта. По поводу первого — в источнике говорилось именно про группы, если вы считаете, что здесь нет прямой ошибки, пусть так и останется тогда.

                                По поводу третьего пункта — в первоисточнике говорится о «Wurtzite». Честно говоря, сложно сказать, что могло подразумевается авторами исследования в этом пункте, но прямой перевод именно «вюрцит». Если это ошибка, можно оставить тогда «Wurtzite».

                                В любом случае, большое спасибо.
                                  +1
                                  > в первоисточнике говорится о «Wurtzite»

                                  Не совсем. В статье-оригинале в Nature, прямо в аннотации написано: «The less known pseudodirect bandgap configuration can be found in wurtzite (WZ) semiconductors» и «...we show that the luminescence of WZ GaAs nanowires can be switched on and off, by inducing a reversible direct-to-pseudodirect band structure transition, under the influence of a small uniaxial stress». (Кстати, очень уже интересно ознакомиться с полной версией статьи, потому что тушение люминесценции может быть вызвано и другими причинами, помимо изменения типа перехода.) То есть — арсенид галлия с вюрцитоподобной структурой. А сам вюрцит — это ZnS.

                                  В статье на сайте ibmresearch тоже сказано: «This structure is possible only because the nanowire dimensions are so small». Но неверно это переводить как «подобная структура появляется только в проводниках сверхмалого размера». Правильнее: «реализация такой структуры возможна только благодаря сверхмалым размерам нанопроволоки». Речь идёт о реализации структуры вюрцита в GaAs, а не вообще.
                                    +1
                                    Исправил на ваш вариант :)

                              Only users with full accounts can post comments. Log in, please.