Электроника все ближе к своим физическим пределам. Кремний, который десятилетиями был основой технологического развития, не справляется с новыми требованиями — компактностью, энергоэффективностью и устойчивостью к экстремальным условиям. Альтернативы разрабатывают разные ученые и компании.

Одна из них — проект команды специалистов из НИТУ МИСИС (Россия), Тулейнского университета (США) и Сучжоуского университета науки и техники (Китай). Авторы предложили новый способ синтеза кристаллических нанопроводов — тончайших нитей толщиной в сотни нанометров и длиной в миллиметры. Такие структуры могут лечь в основу сверхминиатюрных электронных устройств. Об этом проекте и поговорим.

Нанопровода: новый материал для электронной индустрии

Так называют кристаллические структуры, напоминающие ультратонкие нити. Их диаметр варьируется от 100 до 400 нанометров, а длина достигает нескольких миллиметров. Такие параметры делают их уникальными: они достаточно длинные, чтобы использоваться в сложных схемах, и при этом настолько тонкие, что позволяют создавать устройства с элементами микроскопического масштаба.

Раньше производство нанопроводов было настоящим испытанием: их приходилось вручную отделять от крупных кристаллов. Процесс похож на попытку вырезать узор из бумаги с топором. Из-за этого получались хрупкие и неоднородные фрагменты, которые часто разрушались при встраивании в чип/устройство. Эти проблемы сделали массовое производство практически невозможным.

Новый подход меняет ситуацию. Ученые разработали метод, основанный на электростатическом осаждении. Исходные материалы — порошок тантала, никеля и селена — равномерно распределяются по внутренней поверхности стеклянной ампулы под воздействием электрического поля. При нагреве на стенках формируются кристаллические нити Ta₂Ni₃Se₈ (TNS) длиной до 3,5 мм и толщиной около 100 нм. Они сохраняют однородную структуру и при этом могут быть дополнительно расщеплены до толщины всего 7 нанометров. Это как если бы вы могли разделить шелковую нить на отдельные волокна, сохранив прочность и структуру каждой новой ниточки.

Благодаря высокой однородности структуры Ta₂Ni₃Se₈ ученым удалось создать массивы диодов Шоттки и провести измерения электрических характеристик. Результаты показали стабильность контактных свойств по всей длине нити — барьер Шоттки составил около 0,39 эВ. Такая воспроизводимость подтверждает потенциал этих нанопроводов для использования в интегрированной молекулярной электронике и сенсорах на основе одномерных ван-дер-ваальсовых материалов.

Такой метод решает сразу несколько задач. Во-первых, он позволяет производить нанопровода в больших объемах, что приближает технологию к промышленному применению. Во-вторых, однородность нитей обеспечивает надежность будущих устройств, где даже микроскопический дефект может привести к сбоям. Наконец, процесс автоматизирован: вместо кропотливой ручной работы ученые получают готовые структуры, причем их можно сразу использовать в производстве.

Стабильность и прочность: почему эти нити особенные

Наноматериалы часто капризны: они чувствительны к влаге, окислению, ультрафиолету и быстро деградируют. Это одна из причин, почему многие разработки не развиваются. Новый метод меняет картину. Как отметил Константин Ларионов, научный сотрудник лаборатории цифрового материаловедения НИТУ МИСИС, созданные нанопровода сохраняют стабильность даже вне ампулы. За месяц наблюдений их структура не изменилась, что редкость для материалов такого размера.

Эта устойчивость делает новые волокна идеальными для электронной индустрии. Нити из тантала, никеля и селена выдерживают воздействие окружающей среды и сохраняют свойства при интеграции в электронику. Например, их можно использовать в датчиках, которые работают в агрессивных условиях, — от космической радиации до биологических жидкостей в медицинских имплантах.

Разработчики комментируют, что одна нить длиной в миллиметр может использоваться как основа для создания миниатюрных электронных компонентов. Благодаря однородности структуры и стабильности контактных свойств по всей длине такие нанопровода подходят для построения схем на наноуровне — от диодов Шоттки, о которых уже говорилось выше, до сенсорных элементов.

Применение: где нанопровода найдут место

Разработчики считают, что в самых разных отраслях. Компактность и прочность волокон позволяют использовать такие структуры в сенсорах нового поколения, способных работать в сложных условиях — от космоса до медицины. По словам ректора НИТУ МИСИС Алевтины Черниковой, технология также перспективна для создания компонентов квантовых компьютеров, где важен точный контроль над движением электронов. Кроме того, нанопровода можно применять в энергоэффективных устройствах — например, в солнечных панелях или аккумуляторах с увеличенным сроком службы.

Нанопровода могут пригодиться и в космической технике — они устойчивы к радиации и перепадам температур, что важно для электроники на спутниках и марсоходах. В медицине такие нити можно использовать в имплантируемых датчиках, которые работают годами без замены. Пригодятся они и в бытовых устройствах, например смартфонах с гибкими экранами и низким энергопотреблением.

Что дальше

Кремний был основой электроники десятилетиями, но его время уходит. Устройства становятся сложнее, а требования к ним — жестче. Компактность, энергоэффективность, устойчивость к внешним воздействиям — все это заставляет ученых искать новые материалы. Нанопровода — один из шагов в этом направлении, но не единственный.

По данным IEEE Spectrum, исследования в области наноматериалов набирают обороты. В 2024 году ученые из MIT представили метод создания двумерных транзисторов, которые в 10 раз энергоэффективнее кремниевых. В Японии, в Университете Токио, экспериментируют с графеновыми нанолентами. Они проводят электричество с минимальными потерями. Эти разработки, вместе с новым методом синтеза нанопроводов, формируют будущее, где электроника становится не только меньше, но и умнее.

Новые структуры могут стать основой для нейроморфных чипов, которые имитируют работу человеческого мозга. Такие чипы обещают революцию в искусственном интеллекте, позволяя создавать системы, способные обучаться и адаптироваться, как нейронные сети. Еще одна перспектива — квантовые компьютеры, где нанопровода могут применяться для создания сверхточных квантовых вентилей.

Разработка метода массового получения стабильных нанопроводов Ta₂Ni₃Se₈ — шаг к практическому применению ультратонких кристаллических структур с послойным строением. Авторы проекта считают, что такие нити можно не только синтезировать с высокой однородностью, но и использовать в качестве основы для миниатюрных электронных компонентов. Потенциал у технологии широкий — от исследований новых принципов логики до создания компактных сенсоров и специализированной электроники.