Mažyčiai tranzistoriai – nepaprastai svarbūs šiuolaikinės elektronikos komponentai – galėtų funkcionuoti dar efektyviau, jeigu Pensilvanijos valstybinio universiteto (JAV) mokslininkams pavyktų įgyvendinti savo sumanymą – gamybos metu panaudoti vanadžio dioksidą (VO2).
Mažyčiai tranzistoriai – nepaprastai svarbūs šiuolaikinės elektronikos komponentai – galėtų funkcionuoti dar efektyviau, jeigu Pensilvanijos valstybinio universiteto (JAV) mokslininkams pavyktų įgyvendinti savo sumanymą – gamybos metu panaudoti vanadžio dioksidą (VO2).
„Sunku kažkuo kitu pakeisti dabartinę tranzistorių technologiją, kadangi puslaidininkiai nepriekaištingai atlieka savo darbą, – pasakoja medžiagų mokslo ir inžinerijos docentas Romanas Engelis-Herbertas (Roman Engel-Herbert). – Tačiau egzistuoja kelios medžiagos, pavyzdžiui, vanadžio dioksidas, kurias panaudojus įrenginių gamyboje šie imtų veikti dar geriau.“
Tyrėjams nebuvo naujiena, jog vanadžio dioksidas – tam tikras vanadžio ir deguonies atomų junginys – pasižymi savybe, vadinama metalo virsmu izoliatoriumi. Metaluose elektronai gali judėti laisvai, tačiau izoliatoriuose stebima visiškai priešinga situacija. Toks elektrinio laidumo/nelaidumo virsmas, būdingas vanadžio dioksidui, yra kompiuterinių loginių operacijų ir atmintinių veikimo pagrindas.
Mokslininkai pagalvojo, jog jeigu vanadžio dioksidą pavyktų panaudoti tranzistoriuose, ši medžiaga galėtų paspartinti pastarųjų veikimą. Be to, tą patį procesą pritaikius atmintinės narveliams, galimai išaugtų šių stabilumas ir sumažėtų energijos sąnaudos, reikalingos nuskaityti, įrašyti ir išlaikyti informaciją. Tačiau didžiausias sunkumas, su kuriuo teko susidurti – niekam iki šiol nepavyko užauginti pakankamai geros kokybės vanadžio dioksido plonosios plėvelės.
Nors nagrinėjamoji medžiaga yra gana paprastos sandaros, ją nepaprastai sudėtinga susintetinti. Tam, kad pavyktų išgauti aiškiai išreikštą metalo virsmą izoliatoriumi, būtina itin tiksliai kontroliuoti vanadžio ir deguonies atomų santykį. Kuomet šis santykis yra toks, kokio reikia, medžiagos varža gali pakisti apie dešimt tūkstančių kartų, o to pilnai pakanka elektrinio laidumo/nelaidumo virsmo pritaikymui realiuose įrenginiuose.
Pensilvanijos universiteto tyrėjai straipsnyje, publikuotame prestižiniame žurnale „Nature Communications“, tikina, jog jiems pirmiesiems pavyko užauginti plonąsias vanadžio dioksido plėveles ant trijų colių safyro plokštelių išlaikant tikslų 1ir 2 vanadžio ir deguonies atomų santykį. Tokį darinį galima panaudoti gaminant hibridinius lauko tranzistorius, kurie būtų energetiškai efektyvesni. Kiek anksčiau šiais metais tyrėjų grupė, vadovaujama to paties universiteto elektros ir elektronikos inžinerijos profesoriaus Sumano Datos (Suman Datta), parodė, kad vanadžio dioksidas padėjo pasiekti staigų ir grįžtamą būsenų virsmą kambario temperatūroje, kartu sumažindamas savaiminio įšilimo efektą ir tranzistoriaus energijos sąnaudas.
Vanadžio dioksidas taip pat gali būti naudingas tobulinant dabartines atmintinių gamybos technologijas.
„Metalo virsmas izoliatoriumi idealiai tinka netriniosioms atmintinėms, nes vanadžio dioksidą galima panaudoti kaip papildomą prietaisą, kuris kai kuriais atvejais taip pat gali atlikti ir atrinktuvo funkcijas“, – pasakoja elektros inžinerijos docentas Sumitas Gupta (Sumeet Gupta).
Atrinktuvas užtikrina, jog informacijos įrašymas ir nuskaitymas atmintinės luste atliekamas viename atmintinės narvelyje neišsiplečiant į kaimyninius. Atrinktuvas veikia keisdamas narvelio savitąją varžą, o tai tobulai tinkanti funkcija vanadžio dioksidui. Be to, savitosios varžos pokytį galima išnaudoti gerokai padidinant skaitymo operacijos atsparumą trikdžiams.
„Naujasis auginimo metodas leis labai greitai identifikuoti optimalias auginimo sąlygas, reikalingas pramonei, o tai padės išvengti varginančio bandymų ir nesėkmių metodo taikymo.“
Šiuo metodu užaugintos vanadžio dioksido plonosios plėvelės buvo panaudotos konstruojant itin aukšto dažnio komutatorius, kurie svarbūs informacinių technologijų pramonėje. Tokių įrenginių veikimo dažnis gerokai viršija įprastinių analogų veikimo dažnius.
„Mes pradedame suprasti, jog medžiagos, pasižyminčios tokiomis savybėmis, gali būti naudingai panaudotos informacinių technologijų pramonėje, pavyzdžiui, padidinant atsparumą trikdžiams, energijos suvartojimo efektyvumą atliekant rašymo/skaitymo operacijas atmintinėse, loginiuose ir komunikacijų įrenginiuose, – pabaigia pasakojimą R. Engelis-Herbertas. – Kuomet gali pasiūlyti aukštos kokybės vanadžio dioksido plėvelių, žmonės patys kuo puikiausiai sugalvos, kaip jas deramai panaudoti.“
