Gdzie sięga granica miniaturyzacji elektroniki?

Jaki inżynier w swojej pracy nie wyobraża sobie mniejszego tranzystora niż ten, który ma przed sobą? Jaka firma nie chciałaby opracować jak najmniejszy półprzewodnik czy komputer? A co jeśli stałoby się to możliwe? I to bez utraty wydajności? 

Dr hab. Michał Zieliński, prof. UMK oraz mgr Piotr Różański z Katedry Mechaniki Kwantowej w Instytucie Fizyki UMK, doktorant prof. Zielińskiego, prowadzą badania naukowce poświęcone granicom w miniaturyzacji elektroniki. Prof. Zieliński uważa, że mogą być nią pojedyncze atomy. Taką tezę postawili toruńscy fizycy wraz z prof. Garnettem W. Bryantem (Nanoscale Device Characterization Division, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg w USA) w artykule naukowym zatytyłowanym "Scanning tunneling microscopy of buried dopants in silicon: images and their uncertainties", który został opublikowany w "npj Computational Materials".

„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 – mówił w rozmowie z Portalem Informacyjnym UMK 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.”

W rozmowie z Żanetą Kopczyńską z Portalu Informacyjnego UMK prof. Zieliński zwrócił uwagę na kluczowe znaczenie etapu modelowania teoretycznego. 

„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” – mówił prof. Zielińskiego cytowany przez Portal Informacyjny UMK.

Żaneta Kopczyńska zwróciła uwagę, że punktem wyjścia pracy fizyków z UMK w Toruniu było poddanie w wątpliwość, a w rezultacie podważenie pewnych wniosków wysuniętych przez grupę naukowców z Australii opublikowanych w artykule naukowym na łamach "Nature Nanotechnology". 

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

Podczas badań naukowcy z UMK zastosowali technikę skaningowego mikroskopu tunelowego. 

„To jest bardzo ciekawa metoda polegająca na tym, że na powierzchni danego materiału znajduje się idealnie wyprofilowana "igiełka" – opowiadał w rozmowie z Portalem Informacyjnym UMK 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.”

„Od teorii do komercjalizacji jest oczywiście jeszcze daleka droga, ale myśl o przyszłych zastosowaniach naszych badań nie jest wcale hipotetyczna” – cytuje podsumowanie prof. Zielińskiego Portal Informacyjny UMK. – 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."