Nauki ścisłe [2023-03-15]

Granice miniaturyzacji

— Żaneta Kopczyńska

Jak daleko możemy posunąć się w miniaturyzacji elektroniki? – Granicą, do której dążymy, są pojedyncze atomy – mówi prof. Michał Zieliński z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK.

Zbudować najmniejszy tranzystor na świecie, najmniejszy półprzewodnik, najmniejszy komputer, nie tracąc na ich wydajności – to cel pracy wielu inżynierów i naukowców. Jednym z podstawowych pytań jest to o granice miniaturyzacji. Dr hab. Michał Zieliński, prof. UMK oraz jego doktorant – mgr Piotr Różański z Katedry Mechaniki Kwantowej w Instytucie Fizyki UMK są zdania, że granicą mogą być pojedyncze atomy. Razem z prof. Garnettem W. Bryantem (Nanoscale Device Characterization Division, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg w USA dowodzą tego w artykule "Scanning tunneling microscopy of buried dopants in silicon: images and their uncertainties" opublikowanym w uznanym czasopiśmie "npj Computational Materials".

Domieszanie

Podstawowym materiałem budulcowym, który jest obecnie stosowany w przemyśle półprzewodnikowym, a właściwie w całym przemyśle technologicznym, jest krzem.

Krzem jest naszą platformą. Przy staraniach o miniaturyzację w elektronice jednym z pomysłów jest, by w bardzo precyzyjny i kontrolowany sposób do "superczystego" krzemu "domieszać" inny materiał. Z wielu względów technologicznych takim materiałem są atomy fosforu – tłumaczy prof. Michał Zieliński. – Dlaczego właśnie fosfor? Z jednej strony bardzo dobrze "wbudowuje się w krzem", z drugiej zaś – jeśli ułożymy łańcuch z atomów fosforu – będzie on przewodził prąd. Mówiąc bowiem o układach elektronicznych, trzeba pamiętać, że są one oparte właśnie na ruchu ładunków elektrycznych.

Położenie domieszek fosforu w krzemie nie może być przypadkowe, jednak prawidłowe rozmieszczenie poszczególnych atomów jest bardzo trudne do osiągnięcia.

Obecnie na świecie zaledwie dwie-trzy grupy naukowców są w stanie podjąć takie próby. Liderami są badacze z Australii i Stanów Zjednoczonych – mówi mgr Piotr Różański.

Toruńscy naukowcy, od wielu już lat, współpracują z jedną z nich – National Institute of Science and Technology (NIST) ze Stanów Zjednoczonych.

– To wiodący ośrodek na świecie. Prężnie działa w nim grupa badaczy – zarówno teoretyków, jak i doświadczalników, tworzących tego typy nanostruktury – którzy mają do dyspozycji wspaniałe laboratoria z najnowocześniejszym sprzętem – mówi prof. Zieliński.

Zrozumienie

Wbudowanie atomów fosforu w sieć krystaliczną krzemu to jedno. Nie mniej ważne jest zrozumienie ich własności.

Etap modelowania teoretycznego jest absolutnie kluczowy z punktu widzenia zrozumienia własności tych układów – tłumaczy prof. Zieliński. – Mówiąc prościej: jeśli własności tych nie zrozumieją teoretycy, to doświadczalnicy mogą nie wiedzieć, co budują ani co mierzą.

Prof. Zieliński wyjaśnia, że w fizyce nanostruktur istotne są wszystkie trzy komponenty: wytworzenie tego rodzaju struktur, modelowanie i zrozumienie, a także przewidywanie ich własności oraz badania doświadczalne.

– Modelowanie teoretyczne jest bardzo ważne. Nie tylko dlatego, by doświadczalnikom udało się przeprowadzić badania, ale też z tego powodu, iż chcemy im w ogóle powiedzieć, że to właśnie taki, a nie inny układ będzie miał pożądane z konkretnego punktu widzenia czy zapotrzebowania zastosowania – mówi prof. Zieliński.

Obliczenia

Toruńscy fizycy mają za sobą kilka lat wytężonego wysiłku naukowego w tym temacie. Punktem wyjścia do ich pracy były ustalenia jednej z grup z Australii opublikowane w czasopiśmie "Nature Nanotechnology". Naukowcy z UMK wyniki konkurencji podali w wątpliwość.

– Pokazaliśmy, że pewne wnioski, które wyciągnęli, są niepoprawne – mówi prof. Zieliński.

Jak do tego doszli? Przede wszystkim musieli wykonać bardzo złożone, wieloetapowe obliczenia.

Jeśli chcemy modelować tego rodzaju układy, nie możemy robić tego tylko dla jednego atomu fosforu. W obliczeniach musimy uwzględnić całe "morze" atomów – mówi mgr Różański. – Do tego niezbędne jest odpowiednie oprogramowanie i bardzo dobre maszyny.

– W ramach projektu IDUB, w tym ze środków Centrum Doskonałości OptoFoto, udało nam się kupić bardzo dobry komputer, którego moc możemy porównać do mocy 500 laptopów. Wcześniej podobne obliczenia trwałyby dwa lata, dzisiaj jesteśmy w stanie zrobić je w dwa dni – dodaje prof. Zieliński.

Skaning

Przy pracy nad takimi układami niezwykle istotne jest modelowanie tego, co dzieje się na powierzchni krzemu, mówiąc obrazowo – tego, co się do niej "przykleja". Jest technika, która pozwala to badać – nagrodzona w latach 80. Nagrodą Nobla. To skaningowy mikroskop tunelowy.

– To jest bardzo ciekawa metoda polegająca na tym, że na powierzchni danego materiału znajduje się idealnie wyprofilowana "igiełka" – mówi prof. Zieliński. – Pomiar tą metodą jest na tyle wrażliwy, że jeśli pod powierzchnią krzemu znajduje się pojedyncza nawet domieszka fosforu, wpłynie to na wynik pomiaru, co pozwoli nam na detekcję i analizę pojedynczych domieszek i ich układów. Niestety z uwagi na sieć krystaliczną atomów krzemu oraz zjawiska powierzchniowe, obrazy układów domieszek zależą w bardzo skomplikowany sposób od ich wzajemnych położeń. Zrozumienie zależności pomiędzy położeniami domieszek a obrazami z mikroskopu tunelowego jest kluczowe dla potencjalnej analizy takich układów.

Wnioski

Badacze z Instytutu Fizyki UMK nie tylko podważyli konkluzje naukowców z Australii. Przede wszystkim znaleźli fundamentalne ograniczenia tego, co doświadczalnicy mogą zbadać przy pomocy skaningowego mikroskopu tunelowego. Pokazali także, jakie informacje zaburzają obraz przy użyciu tej techniki badań.

– Od teorii do komercjalizacji jest oczywiście jeszcze daleka droga, ale myśl o przyszłych zastosowaniach naszych badań nie jest wcale hipotetyczna – mówi prof. Zieliński. – Miniaturyzacja w elektronice, w przemyśle technologicznym postępuje. Jestem pewny, że już w niedalekiej przyszłości procesory, nasze komputery, telefony i innego rodzaju sprzętu używane na co dzień mocno się zmienią. A granicą tej zmiany będzie miniaturyzacja na poziomie pojedynczych atomów.

"Badania omawiane w artykułu były finansowane w ramach projektu badawczego o nr 2015/18/E/ST3/00583 z środków Narodowego Centrum Nauki"