(Продолжение. Начало в №48)

Я уверен, что мы стоим на пороге новой революции в электронных технологиях. Революции, аналогичной той, которая произошла с изобретением микрочипа. А обеспечат её принципиально новые материалы, которые будут использоваться в микроэлектронике. Давайте же посмотрим, каких успехов добилось мировое материаловедение в 2012 году.

Антиферромагнетик для новых HDD

Японские учёные обнаружили новый класс материалов, демонстрирующих гигантское магнетосопротивление (ГМС). Эффект гигантского магнетосопротивления заключается в резком (на порядок) изменении электрической проводимости при воздействии магнитного поля. До сих пор все известные подобные вещества были созданы на основе оксидов марганца. Что легко объяснимо: в основе эффекта ГМС лежит ферромагнетизм, то есть, установление дальнего магнитного порядка ионов оксида марганца.

Но вот теперь ученые выявили материал, который не является ферромагнетиком, однако демонстрирует эффект ГМС. Это оказался NaCr₂O₄, полученный при сверхвысоком давлении. Как говорят учёные, новый материал скорее можно назвать антиферромагнетиком. Это значит, что сфера поиска новых материалов с эффектом гигантского магнетосопротивления может быть заметно расширена.

Как напоминают интернет-СМИ, эффект ГМС был открыт в 1988 году Альбером Фера и Петером Грюнбергом. Он быстро произвел революцию в электронике, позволив, например, создавать компактные жесткие диски. В них единицы и нули кодировались намагниченными и ненамагниченными секторами диска, а для считывания использовалась головка с эффектом гигантского магнетосопротивления. За свое открытие Фера и Грюнберг в 2007 году получили Нобелевскую премию по физике.

Превратить тепло в электричество

Термоэлектрики - это особый класс веществ, которые способны вырабатывать электричество при различии температур в разных зонах материала. Эффективность преобразования определяется двумя требованиями, которые во многом противоречивы. То есть, КПД термоэлектрика тем выше, чем лучше такой материал проводит электричество, и чем хуже он проводит тепло.

В определенной степени решить данную проблему смогли американские ученые, которые создали материал, преобразующий тепло в электричество с рекордной эффективностью - она в два раза превышает КПД уже известных подобных материалов.

Добиться высокой электрической проводимости при низкой теплопроводности ученые сумели, изменив микроструктуру материала. Исследователи применили классический термоэлектрик - теллурид свинца (PbTe), в который добавили в виде вкраплений нанокристаллы теллурида стронция. Это не изменило электрическую проводимость, но нарушило упорядоченную структуру материала - а значит, и его теплопроводность. Чтобы ещё более усилить эффект, ученые создавали в полученном материале микротрещины. Они не позволяли теплу свободно двигаться в толще материала, но очень незначительно влияли на его электрическое сопротивление. В результате экспериментаторы достигли двукратного увеличения эффективности преобразования тепла: с 7% до 15%.

Некоторые исследователи видят в использовании термоэлектриков будущее энергетики. Сегодня более 2/3 работы, затрачиваемой на производство электроэнергии, теряется в виде тепла - а его также можно было бы использовать, значительно повысив КПД электростанций. Также термоэлектрики порой используются как основной источник электричества - к примеру, на марсоходе "Кьюриосити" тепло вырабатывается плутониевым топливным элементом.

Несмачиваемая поверхность

Инженеры голландского Университета Твенте создали поверхность, которая имеет такую микроструктуру, что не смачивается ни водой, ни масляными жидкостями. Технология её создания - хорошо известная фотолитография на кремнии. Инженеры смогли придать поверхности материала микротекстуру со множеством шипов, имеющих гиперболоидную форму. После химической обработки такая поверхность не смачивалась ни водой, ни маслами.

Как объясняют авторы разработки, капли жидкости на поверхности нового материала сохраняют свою сферическую форму даже в ходе высыхания. Между тем, все известные до сих пор омнифобные (водо- и жироотталкивающие) материалы после длительного контакта с каплями жидкости всё же начинают смачиваться.

Эксперименты показали, что как бы ни уменьшался во время высыхания размер капли, это не приводило к смачиванию нового материала - капля оставалась сферической до момента полного исчезновения.

По словам ученых, новая технология позволит создавать электронные материалы и компоненты, на которых не будет задерживаться грязь.

Органические кристаллы для "суперпамяти"

В лабораториях Северо-Западного университета Иллинойса (США) получен класс органических материалов, открывающих новые возможности в практическом использовании сегнетоэлектриков - самополяризующихся кристаллов, для которых характерно явление гистерезиса (т.е. памяти о предыдущем состоянии).

Команда химиков под руководством профессора Сэмюэла Стаппа сумела синтезировать большеразмерные кристаллы с сегнетоэлектрическими свойствами, используя в качестве строительных блоков лишь два типа относительно несложных органических молекул. Последние самособираются посредством водородных связей в высокоупорядоченную кристаллическую структуру, способную к спонтанной электрической поляризации, когда одна сторона кристаллического образца несет слабый положительный, а другая - слабый отрицательный заряд. Впервые этот эффект, аналогичный явлению ферромагнетизма, был открыт и исследован в 1920 году на кристаллах сегнетовой соли - тетрагидрате двойной натриево-калиевой соли винной кислоты.

Теперь американские учёные в качестве сырья для производства кристаллов с сегнетоэлектрическими свойствами использовали пиромелит диазена (C₁₀H₄N₂O₄), молекулы которого играют в кристаллической трехмерной решетке роль электронных акцепторов. Вторым компонентом кристалла могут быть молекулы нафталена (C₁₀H₈), пирена (C₁₆H₁₀) или тетратиафульвалена ((H₂C₂S₂C)₂), играющие в 3D-решетке роль электронных доноров. Получившиеся кристаллы проявляли свойства сегнетоэлектриков при комнатной температуре, в отличие от конкурентов, которые проявляют свойства сегнетоэлектриков только в условиях криогенных установок.

Поляризацией кристалла, полученного в Иллинойсе, можно управлять, прилагая к нему внешнее электрическое поле. Если электрическое поле убрать, кристалл "запомнит" последнюю поляризацию. Это свойство позволяет использовать сегнетоэлектрики при разработке устройств энергонезависимой компьютерной памяти. В данном случае одну конфигурацию диполя (базовой ячейки памяти) можно принять за условную "единицу", а другую - за условный "ноль".

В кристаллах обмен электронами происходит между расположенными поочередно "партнерскими" молекулами - донорами и акцепторами. Под действием электрического поля партнерские связи мгновенно перестраиваются, поляризация меняется на противоположную и сохраняется, даже если поле убрать.

Как сказано в отчёте об исследовании, группа Стаппа изучила в общей сложности десяток разновидностей сегнетоэлектриков, полученных по технологии самосборки. По заявлению ученых, использованная ими технология "позволяет создавать почти неограниченные библиотеки сегнетоэлектрических материалов", что открывает, по словам одного из авторов отчёта, "настоящий ящик Пандоры в области сегнетоэлектроники".

Коммерческие перспективы новой технологии очевидны. Энергонезависимые блоки памяти на основе таких кристаллов во многом решат проблему энергопотребления не только в гаджетах, но и в дата-центрах, расходующих все больше энергии для хранения огромных массивов данных в полупроводниковых устройствах типа RAM на основе кремния, которые теряют информацию при отключении питания.

Проводящиеся сейчас исследования органических кристаллов на основе пиромелита диазена покажут, насколько эта технология перспективна в плане массового производства и сможет ли она составить конкуренцию энергонезависимым модулям памяти на основе ферромагнетиков, стоимость которых остается пока слишком высокой.

Виктор ДЕМИДОВ