Быстрые компьютеры белой массы
17-06-2009, 18:04. Разместил: Редакция ОКО ПЛАНЕТЫ
ТЕКСТ: Николай Подорванюк
ФОТО: Структура электронов в теллуриде висмута // Yulin Chen and Z. X. Shen
В ближайшем будущем в мире могут появиться компьютеры, работающие в тысячи раз быстрее нынешних. Совместные исследования китайских и американских ученых показали, что теллурид висмута обладает прекрасными свойствами, используя которые, можно получить новые более скоростные процессоры.
<!-- СМОТРИ ТАКЖЕ (ящики) --> <!-- СМОТРИ ТАКЖЕ -->Современные электронные устройства, как известно, основаны на движении и собирании электронов для работы с информацией. Новой ступенью развития вычислительной техники должно стать повсеместное применение так называемых топологических изоляторов (спинтроников), где передача информации основана на использовании внутреннего момента вращения электрона, спина.
Эффект Холла
ТЕКСТ: ПО МАТЕРИАЛАМ ЭНЦИКЛОПЕДИЙ
явление возникновения поперечной разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле.
Квантовый спиновый эффект Холла впервые был экспериментально обнаружен в тонких полупроводниковых пленках и выражается в дискретности проводимости и в появлении на боковых гранях образца спин-поляризованных электронов даже в отсутствие магнитного поля.
В областях, близких к поверхностям спинтроников, электроны перемещаются практически без сопротивления. Это происходит за счет квантового спинового эффекта Холла, а направление движения тока определяется направлением спина у электронов. Таким образом, при меньших затратах энергии можно добиваться большей эффективности движения электронов, чем в современных электронных устройствах.
Одной из проблем, препятствующей началу повсеместного использования спинтроников, является то, что для создания спинтронного устройства вещество должно сохранять магнитные свойства электронов при комнатной температуре. Тестируемые же полупроводники в большинстве своем обладали свойствами спинтроников при температуре порядка -200 градусов по Цельсию – температуре, недостижимой при создании вычислительных машин.
Висмут и теллур
ТЕКСТ: ПО МАТЕРИАЛАМ ЭНЦИКЛОПЕДИЙ
Висмут (латинское название Bismuthum или bisemutum происходит от немецкого weisse Masse, белая масса) – твёрдый хрупкий металл стального цвета с розоватым отливом; 83-й номер таблицы Менделеева.
В рудах находится как в форме собственных минералов, так и в виде примеси в некоторых сульфидах и сульфосолях других металлов. В мировой практике около 90% всего добываемого висмута извлекается попутно при металлургической переработке свинцово-цинковых, медных, оловянных руд и концентратов, содержащих сотые и иногда десятые доли процента висмута. Висмут в достаточной степени редкий металл, и его мировая добыча/потребление едва превышает 6000 тонн в год (от 5800 до 6400 тонн в год).
Одним из важнейших направлений применения висмута является производство полупроводниковых материалов и в частности теллуридов (термо-ЭДС теллурида висмута 280 мкВ/К) и селенидов висмута. Получен высокоэффективный материал на основе висмут-цезий-теллур для производства полупроводниковых холодильников суперпроцессоров.
Теллур (от латинского tellus, родительный падеж telluris, Земля) – хрупкое серебристо-белое вещество с металлическим блеском, в тонких слоях на просвет красно-коричневый, в парах – золотисто-жёлтый; 52-й номер таблицы Менделеева.
Теллур – редкий элемент, и значительный спрос при малом объёме добычи определяет высокую его цену ($200-300 за кг в зависимости от чистоты), но, несмотря на это, диапазон областей его применения постоянно расширяется.
Велика роль теллура в производстве полупроводниковых материалов и, в частности, теллуридов свинца, висмута, сурьмы, цезия. Очень важное значение в ближайшие годы приобретёт производство теллуридов лантаноидов, их сплавов и сплавов с селенидами металлов для производства термоэлектрогенераторов с весьма высоким (до 72-78 %) КПД, что позволит применить их в энергетике и в автомобильной промышленности. Недавно обнаружена очень высокая термо-ЭДС в теллуриде марганца (500 мкВ/К) и в его сочетании с селенидами висмута, сурьмы и лантаноидов, что позволяет не только достичь весьма высокого КПД в термогенераторах но и осуществить уже в одной ступени полупроводникового холодильника охлаждение вплоть до области криогенных (температурный уровень жидкого азота) температур и даже ниже.
Лучшим материалом на основе теллура для производства полупроводниковых холодильников в последние годы явился сплав теллура, висмута и цезия, который позволил получить рекордное охлаждение до –237 °C. В то же время, как термоэлектрический материал, перспективен сплав теллур-селен (70 % селена), который имеет коэффициент термо-ЭДС около 1200 мкВ/К. Совершенно исключительное значение также получили сплавы КРТ (кадмий-ртуть-теллур), которые обладают фантастическими характеристиками для обнаружения излучения от стартов ракет и наблюдения за противником из космоса через атмосферные окна (не имеет значение облачность). КРТ является одним из наиболее дорогих материалов в современной электронной промышленности.
Но оказалось, что сплав теллурия и висмута (Bu2Te3) проявляет свойства спинтроника и при комнатной температуре.
Соответствующее предсказание сделал в своей теоретической работе сотрудник Стэнфордского университета Шоучен Чжан. Его коллеги Юлинь Чень, Чжи-Сунь Шень, а также ряд китайских и американских ученых провели комплексное экспериментальное исследование теллурида висмута и в целом подтвердили самые благоприятные прогнозы своего коллеги-теоретика. Результаты работы опубликованы в журнале Science.
Схема фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. После попадания на вещество фотона (photon), выделяются фотоэлектроны (electron), для которых можно померить ряд параметров, из которых следуют свойства образца исследуемого вещества // lbl.gov
ТЕКСТ: ПО МАТЕРИАЛАМ ЭНЦИКЛОПЕДИЙ метод изучения строения вещества, основанный на измерении энергетических спектров электронов, вылетающих при фотоэлектронной эмиссии. Согласно закону сохранения энергии, сумма энергии связи вылетающего электрона (работы выхода) и его кинетическая энергии равна энергии падающего фотона h? (h - Планка постоянная, ? - частота падающего излучения).Фотоэлектронная спектроскопия
По спектру электронов можно определить энергии связи электронов и их уровни энергии в исследуемом веществе. В фотоэлектронной спектроскопии применяются монохроматическое рентгеновское или ультрафиолетовое излучения с энергией фотонов от десятков тысяч до десятков электрон-Вольт (что соответствует длинам волн излучения от десятых долей до сотен). Спектр фотоэлектронов исследуют при помощи электронных спектрометров высокого разрешения (достигнуто разрешение до десятых долей эВ в рентгеновской области и до сотых долей эВ в ультрафиолетовой области).
Метод фотоэлектронной спектроскопии применим к веществу в газообразном, жидком и твёрдом состояниях и позволяет исследовать как внешние, так и внутренние электронные оболочки атомов и молекул, уровни энергии электронов в твёрдом теле (в частности, распределение электронов в зоне проводимости). Для молекул энергии связи электронов во внутренних оболочках образующих их атомов зависят от типа химической связи (химические сдвиги), поэтому фотоэлектронную спектроскопию успешно применяется в аналитической химии для определения состава вещества и в физической химии для исследования химической связи. В химии метод известен под название ЭСХА - электронная спектроскопия для химического анализа (ESCA - electronic spectroscopy for chemical analysis).
В ходе эксперимента авторы проводили исследование теллурида висмута методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Для анализа электронной структуры вещества на образец направляется поток фотонов, и при обработке спектра вылетевших фотоэлектронов можно получить информацию о структуре вещества.
«Теоретические работы были очень близки к экспериментальным результатам, – сообщил руководитель проекта Юлинь Чень. –
Но действительность превзошла все ожидания».
Монокристалл теллурида висмута // ru.wikipedia.org
Он сообщил, что результаты работы подтверждают: теллурид висмута сохраняет свойства спинтроника при более высоких температурах, чем было предсказано теоретически. «Это значит, что данный материал начнет применяться в производстве гораздо быстрее, чем мы поначалу думали», – заявил Чень.
Одним из плюсов этого материала является его простота в производстве при нынешнем развитии изготовления трехмерных полупроводников. Отсюда следует, что не за горами то время, когда основу компьютера будут составлять быстрые процессоры из теллурида висмута, а современные процессоры постепенно отойдут в прошлое.Вернуться назад