Инженеры из Университета штата Юта в США открыли новый двумерный полупроводниковый материал, открывающий путь к созданию нового поколения компьютерной электроники. Благодаря своим уникальным электронным свойствам он позволит значительно увеличить скорость работы компьютеров и смартфонов и снизить потребление электроэнергии.

Материал представляет собой оксид олова (SnO) — полупроводник, состоящий из элементов олова и кислорода. Подобно графену, это двумерный материал, что позволяет электрическим зарядам в нем перемещаться гораздо быстрее, чем в привычных объемных полупроводниках, например в кремнии.

Такой материал можно использовать для создания нового типа транзисторов — ключевых элементов всех электронных устройств, таких как компьютерные процессоры, мониторы и мобильные устройства.

Материал был открыт группой ученых из Университета штата Юта под руководством профессора Ашутоша Тивари. Эта группа занимается исследованием новых материалов и созданием электронных устройств. Статья об этом вышла в журнале Advanced Electronic Materials 15 февраля.

Сейчас транзисторы и другие элементы электронных устройств изготавливаются в основном из кремния или аналогичных полупроводников и состоят из нескольких слоев полупроводника на стеклянной подложке. Однако недостатком трехмерных материалов является то, что электроны не локализованы жестко внутри слоев и могут двигаться во всех направлениях. Это приводит к большим потерям энергии на рассеяние.

Исследование двумерных материалов — новое, быстро развивающееся направление в физике твердого тела. Такие материалы представляют собой слой толщиной в один или два атома. Наибольшую известность из материалов данного класса получил графен, за открытие которого выходцам из России Андрею Гейму и Константину Новоселову в 2010 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Электрон в двумерном материале «может двигаться только в одном тонком слое, то есть гораздо быстрее», — говорит профессор Тивари.

Двумерные материалы, открытые к настоящему моменту, такие как графен, борофен и дисульфид молибдена, являются полупроводниками n-типа (от слова negative — отрицательный), то есть электрический ток в них создается движением отрицательных зарядов — электронов. Однако для создания электрических устройств требуются полупроводниковые материалы, которые проводят ток как отрицательных частиц — электронов, так и положительных — «дырок».

«Дырка» в полупроводнике представляет собой вакансию — отсутствие отрицательного заряда (электрона), перемещающуюся по кристаллической решетке, и может быть представлена как положительно заряженная частица. Такое описание в квантовой механике называется квазичастицей. Поведение квазичастиц в кристалле можно описать с помощью статистики Ферми, подобно поведению электронов. В этом случае можно говорить о «дырочном» токе положительных зарядов — перемещении «дырок» по полупроводнику. Полупроводники с «дырочным» типом проводимости называются полупроводниками p-типа (от слова positive — положительный).

Полученный группой профессора Тивари материал стал первым устойчивым двумерным полупроводником p-типа. «Теперь у нас есть все, что нужно, — двумерные полупроводники p- и n-типов, — сказал профессор Тивари. — Теперь мы сможем развивать технологии гораздо быстрее».

После открытия двумерного полупроводника p-типа можно говорить о возможности создания более скоростных и миниатюрных транзисторов, чем современные. Процессор компьютера состоит из миллиардов транзисторов, и чем больше транзисторов упаковано в одном чипе, тем более мощным будет процессор.

Транзисторы на основе открытого группой профессора Тивари материала могут стать основой для компьютеров и смартфонов, работающих более чем в сто раз быстрее обычных современных устройств.

Поскольку движение носителей заряда в таком материале жестко локализовано в одном слое, в отличие от трехмерных материалов, рассеяние энергии в нем меньше, и, следовательно, такие устройства нагреваются слабее, чем обычные компьютерные чипы.

Кроме того, такие устройства будут требовать гораздо меньше энергии для работы, чем современные устройства, что очень важно для мобильной электроники, работающей от батареи. Это может быть особенно важно для медицинских устройств, таких как электронные импланты, которые будут работать дольше на одном заряде аккумулятора.

«По крайней мере, первые прототипы новых устройств могут быть созданы в ближайшие два-три года», — сказал профессор Тивари.