По мере уменьшения размеров микросхем все сложнее сохранять эффективную передачу электрических сигналов между их компонентами: в сверхтонких проводниках возрастает рассеяние электронов, что увеличивает сопротивление и потери энергии. Китайские ученые синтезировали углеродный материал шириной менее одного нанометра, который демонстрирует почти баллистический перенос электронов. В перспективе он может стать основой для создания сверхтонких электрических соединений, способных работать с минимальными потерями.

Как сообщает Global Times со ссылкой на агентство «Синьхуа», материал разработала группа ученых из Научно-технического университета Китая в Хэфэе. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Новая разработка представляет собой углеродную пентагептитную наноленту (carbon pentaheptite nanoribbon). Ее структура образована атомами углерода, соединенными в пяти- и семичленные кольца. Эксперименты показали, что один из полученных вариантов обладает металлическими свойствами и обеспечивает эффективное движение электронов с относительно небольшим рассеянием.

Почти баллистическое движение электронов

Исследователи получили два типа нанолент с похожей базовой структурой, но разным расположением углеродных цепочек по краям. Первый вариант, обозначенный CPHN 1, продемонстрировал металлическое поведение. Второй, CPHN 2, оказался полупроводником с узкой запрещенной зоной.

Измерения показали, что электропроводность CPHN 1 приближается к одному кванту проводимости — фундаментальной единице электрической проводимости. Кроме того, материал демонстрирует почти баллистический перенос электронов: они перемещаются по структуре с минимальным рассеянием.

Это свойство представляет особый интерес для миниатюрной электроники. Когда проводники становятся чрезвычайно тонкими, взаимодействие электронов с границами и дефектами материала может усиливать рассеяние и повышать сопротивление. В результате передача сигналов сопровождается потерями энергии и выделением тепла.

Если ученым удастся использовать свойства новой наноленты в реальных электронных устройствах, она потенциально позволит создавать более компактные соединения между компонентами микросхем и уменьшать потери при передаче электрических сигналов. Разработка также может иметь значение для будущих углеродных электродов и полностью углеродной электроники.

Как удалось получить новый материал

Углерод способен образовывать материалы с совершенно разными характеристиками в зависимости от расположения и способа соединения его атомов. Алмаз и графит, например, состоят из одного химического элемента, но имеют разную структуру и физические свойства. В графене атомы углерода образуют шестиугольную решетку.

Еще в 1996 году теоретики предположили, что структура из пяти- и семичленных углеродных колец может обладать металлическими свойствами и проводить электричество. Однако получить такой материал контролируемым способом и экспериментально подтвердить его характеристики долгое время не удавалось.

Команда под руководством профессоров Ван Бина и Фань Цитана разработала поэтапный метод синтеза на поверхности серебра. Сначала ученые использовали относительно стабильные молекулы с восьмичленными углеродными кольцами, которые соединяли в цепочки. При нагревании кольца преобразовывались в пары пятичленных, формируя полипенталеновые цепи.

Затем температуру повышали. Соседние цепочки соединялись боковыми сторонами - этот процесс исследователи сравнивают с застегиванием молнии. Между ними формировались семичленные кольца, в результате чего возникали наноленты, содержащие оба типа углеродных структур.

Работа показывает, что изменение расположения углеродных колец в структуре шириной менее одного нанометра позволяет получать материалы с различными электронными характеристиками. Это открывает новые возможности для изучения того, как атомное строение влияет на проводимость.

Вместе с тем до практического применения разработки еще далеко. Ученым предстоит усовершенствовать процесс синтеза и проверить, можно ли интегрировать материал в реальные электронные устройства. Пока речь идет об экспериментальной разработке, а не о готовой замене проводникам, используемым в современных микросхемах.