Ekstremaliai aplinkai – deimantinių komponentų elektronika

Vanderbilto universiteto (JAV) elektros inžinerijos specialistų komanda sukūrė visus svarbiausius komponentus, reikalingus nanodeimantinių plonųjų plėvelių įrenginių gamybai. Jie sukonstravo deimantinius tranzistorius ir galiausiai loginius elementus, kurie yra svarbiausi kompiuterio komponentai.

„Deimanto pagrindo įrenginiai turi potencialo veikti didesne sparta, be to, jie sunaudoja mažiau energijos už silicio pagrindo prietaisus, – pasakoja elektros inžinerijos profesorius Džimis Deividsonas (Jimmy Davidson). – Deimantas yra pati inertiškiausia žinoma medžiaga, todėl mūsų prietaisams neturėtų būti baisus radiacijos poveikis, o jų veikimo temperatūra siektų kur kas didesnes vertes už būdingas silicio pagrindo prietaisams“.

Autorių sugalvoti loginiai elementai yra aprašyti rugpjūčio 4 dienos žurnalo „Electronics Letters“ numeryje. Straipsnio bendraautoriai yra doktorantas Nikonas Gošas (Nikkon Ghosh) ir elektros inžinerijos profesorius Vengas Pu Kangas (Weng Poo Kang).

Dž. Deividsonas gana greitai suvokė, kad nepaisant to, jog jų prietaisui sukurti prireikė deimantinės plėvelės, jo savikaina nebūtinai turi būti milžiniška. Įrenginiai yra tokie maži, kad iš vieno karato deimanto galima pagaminti apie vieną milijardą vienetų. Plėvelės yra gaminamos iš vandenilio ir metano naudojant metodą, kuris vadinamas cheminiu gariniu nusodinimu. Šis metodas itin plačiai taikomas mikroelektronikos pramonėje. Tokio nusodinto deimanto vertė siekia vieną tūkstantąją papuošalams naudojamo deimanto vertės, todėl ganėtinai maža savikaina leidžia juo padengti įrankius, virtuvės reikmenis ir kitus pramoninius gaminius. Dėl šios priežasties nanodeimantinių įrenginių gamybos kaštai turėtų leisti jiems užimti konkurencingą padėtį silicio pagrindo prietaisų rinkoje.

Galimi taikymai apima karinę elektroniką, grandines, sugebančias veikti kosminėje erdvėje, itin sparčius jungiklius, ultramažų sąnaudų aparatus ir jutiklius, veikiančius didelės radiacijos zonose, esant itin aukštoms ir itin žemoms temperatūroms.

Nanodeimantinės grandinės yra tarsi hibridinis senųjų vakuuminių lempų ir moderniųjų kietojo kūno mikroelektronikos elementų derinys, pasižymintis geriausiomis abiejų technologijų savybėmis.

Nanodeimantinius prietaisus sudaro plona nanodeimanto plėvelė, sumontuota ant silicio dioksido sluoksnio. Kaip ir vakuuminėse lempose, užuot judėję kietąją medžiaga (kaip įprastuose mikroelektronikos prietaisuose), elektronai skrieja vakuume tarp nanodeimantinių komponentų. Taigi tam, kad prietaisas veiktų, reikalingas vakuumas.

„Jūsų nešiojamasis kompiuteris ilgainiui įkaista todėl, kad elektronai, judantys tranzistoriais, atsitrenkia į puslaidininkių atomus ir juos įšildo, – sako Dž. Deividsonas. – Kadangi mūsų prietaisuose elektronai keliauja vakuumu, toks šilumos kiekis neišsiskiria“.

Pralaidumo našumas yra dar viena priežastis, kodėl naujieji įrenginiai gali veikti naudodami labai silpną elektros srovę. Deimantas yra laikomas geriausiu žinomu elektronų emiteriu, todėl jam nereikia suteikti daug energijos, kad būtų sukurtas galingas elektronų pluoštas. „Mes manome, kad galime sukurti įtaisus, naudosiančius vieną dešimtąją patiems efektyviausiems silicio įrenginiams reikalingo energijos kiekio“.

Naujieji mokslininkų kūriniai taip pat pasižymi ganėtinai dideliu atsparumu radiacijai. Radiacija sutrikdo tranzistorių veikimą, nes sužadina papildomus krūvius silicyje. Nanodeimantiniuose įrenginiuose elektronai skrieja vakuumu, todėl energingosios dalelės mažai kuo gali pakenkti. Jeigu jos pataiko į nanodeimantinį anodą arba katodą, poveikis apsiriboja nedideliu elektronų srauto susvyravimu – ne visišku sutrikdymu, kuris būdingas silicio pagrindo įrenginiams.

„Kuomet aš išgirdau apie problemas, su kuriomis susidūrė Fukušimos jėgainę gelbėję specialistai, supratau, kad nanodeimantinės grandinės čia būtų puikiai pasitarnavusios, – mintimis dalijasi profesorius. – Jų nebūtų paveikęs didelis radiacijos lygis arba aukšta temperatūra, kurią sukūrė sprogimai“.

Nanodeimantinius įrenginius galima pagaminti naudojant puslaidininkių pramonės ištobulintas technologijas. Viena išimtis yra tai, jog prietaisui būtinas vakuumas, o tam pasiekti reiktų šiek tiek pakoreguoti gamybos procedūrą. Dabar puslaidininkiniai lustai izoliuojami korpusuose, pripildytuose inertinių dujų, pavyzdžiui, argono, arba tiesiog įpakuojami į plastiką, taip juos apsaugant nuo cheminės degradacijos. Dž. Deividsonas kartu su kolegomis aptiko, kad karinio lygio grandinėms naudojamas metališkasis sandarinimas yra toks patikimas, jog išlaikytų reikiamą vakuumo lygį ištisus šimtmečius.