Например, алмаз и графит — всего лишь два из множества полиморфов углерода, а это означает, что оба имеют одинаковый химический состав и отличаются только способом соединения их атомов. Но какая огромная разница в том, что такое подключение: первое превращается в кольцо и стоит тысячи долларов, а второе — в скромном карандаше.Неорганическое соединение диоксида гафния, обычно используемое в оптических покрытиях, также имеет несколько полиморфов, включая тетрагональную форму с очень привлекательными свойствами для компьютерных микросхем и других оптических элементов.
Однако, поскольку эта форма стабильна только при температурах выше 3100 градусов по Фаренгейту — подумайте о пылающем аду — ученым пришлось довольствоваться ее более ограниченным моноклинным полиморфом. До настоящего времени.Группа исследователей во главе с химиком из Университета Кентукки Бет Гитон и химиком из Техасского Университета AM Сарбаджитом Банерджи в сотрудничестве с инженером-материаловедом из Техаса Раймундо Арройаве нашли способ достичь этой столь востребованной тетрагональной фазы при температуре 1100 градусов по Фаренгейту — подумайте рядом -комнатная температура и потенциальный святой Грааль для компьютерной индустрии, а также бесчисленного множества других секторов и приложений.В исследовании команды, опубликованном сегодня в Nature Communications, подробно рассказывается о наблюдении за этим захватывающим атомным преобразованием, засвидетельствованном с помощью невероятно мощных микроскопов в Национальной лаборатории Ок-Ридж.
После первоначального сжатия моноклинных частиц диоксида гафния до размера крошечных кристаллических наностержней они постепенно нагревали их, уделяя пристальное внимание структуре, подобной штрих-коду, характерной для каждого наностержня и, в частности, его пары наноразмерных, образующих дефекты полос, которые кажутся функционируют как нулевой уровень для перехода.«В этом исследовании мы наблюдаем, как крошечный стержень из оксида металла превращается из одной структуры, которая является типичным материалом, обнаруживаемым при комнатной температуре, в другую, родственную структуру, не всегда стабильную при температуре ниже 3100 градусов по Фаренгейту», — сказал Гитон, доцент. химии в колледже искусств Великобритании Наук. «Это важно, потому что высокотемпературный материал обладает удивительными свойствами, которые делают его кандидатом на замену диоксида кремния в полупроводниковой промышленности, которая построена на кремнии».Полупроводниковая промышленность долгое время полагалась на диоксид кремния в качестве предпочтительного тонкого непроводящего слоя в критическом зазоре между электродом затвора — клапаном, который включает и выключает транзистор — и кремниевым транзистором. Последовательное утончение этого непроводящего слоя — вот что позволяет транзисторам становиться меньше и быстрее, но Гитон указывает, что есть такая вещь, как слишком тонкий — точка, в которой электроны начинают перемещаться через барьер, тем самым нагревая окружающую среду и истощая энергию.
Она говорит, что большинство из нас в какой-то степени видели и ощущали этот сценарий (каламбур), например, когда смотрели видео на наших телефонах, и батарея одновременно разряжалась, так как устройство в нашей ладони заметно начинает нагреваться.
По мере того, как компьютерные микросхемы становятся меньше, быстрее и мощнее, их изолирующие слои также должны быть намного более прочными, что в настоящее время является ограничивающим фактором для полупроводниковой технологии. Гитон говорит, что эта новая фаза гафнии на порядок лучше выдерживает прикладные поля.
Когда дело доходит до наблюдения за структурным переходом гафнии между ее традиционным моноклинным состоянием и этой коммерчески желательной тетрагональной фазой при температуре, близкой к комнатной, Банерджи говорит, что это мало чем отличается от популярного телевидения — в частности, «Зала лиц» в шоу HBO «Игра престолов». . "«По сути, мы смогли наблюдать в реальном времени, атом за атомом, как гафния трансформируется в новую фазу, как Арья Старк надевает новое лицо», — сказал Банерджи. «Новая фаза гафнии имеет гораздо более высокое значение« k », представляющее ее способность накапливать заряд, что позволило бы транзисторам работать очень быстро, просто потребляя энергию, а не истощая ее. Полосы оказываются действительно важными, поскольку это это то место, где начинается переход, когда гафния теряет свои полосы ".Аррояв считает, что информация атомного масштаба в реальном времени позволяет группе понять, что трансформация на наномасштабе происходит совсем иначе, чем в макроскопических частицах, которые приводят к моноклинной форме гафнии. Тот факт, что это в первую очередь наноразмер, является причиной, по которой он говорит, что переход происходит при комнатной температуре или намного ближе к ней.
«Благодаря синтезу на наномасштабе« высота »энергетического барьера, разделяющего две формы, была уменьшена, что позволило наблюдать тетрагональную гафнию при гораздо более низких температурах, чем обычно», — сказал Аррояв. «Это указывает на стратегии, которые можно использовать для стабилизации множества полезных форм материалов, которые могут обеспечить широкий спектр функций и связанных технологий. Это лишь один пример огромных возможностей, которые существуют, когда мы начинаем исследовать« метастабильную » материалы космоса ".Банерджи говорит, что это исследование предлагает один способ стабилизации тетрагональной фазы при реальной комнатной температуре — что он отмечает, что его группа ранее реализовывала другой метод в прошлом году — и большие последствия для быстрых транзисторов с низким энергопотреблением, способных управлять током. без потребления энергии, снижения скорости или выделения тепла.
«Возможности безграничны, включая даже более мощные ноутбуки, которые не нагреваются и не потребляют энергию от своих батарей, и смартфоны, которые« сохраняют спокойствие и продолжают работать », — сказал Банерджи. «Мы пытаемся применить эти же уловки к другим полиморфам диоксида гафния и других материалов, выделяя другие фазы, которые нелегко стабилизировать при комнатной температуре, но также могут иметь странные и желательные свойства».Видео: https://vimeo.com/216867500/846f663ca9