Современные электронные и электрические устройства сейчас используют токопроводящие материалы для направления разных потоков электронов в требуемые области. Критически важно, чтобы эти проводники были надежно закреплены и изолированы от остальных компонентов прибора, обеспечивая тем самым направленное течение электрического тока. Тем не менее, в ближайшее время могут быть разработаны электронные устройства принципиально нового типа. Они будут задействовать уникальные свойства материалов, таких как феррит висмута, для формирования нестандартного типа электрического тока. Это, в свою очередь, позволит осуществлять передачу электрических сигналов с повышенной скоростью и эффективностью при использовании более компактных и плотно интегрированных электронных схем. В связи с этим, исследователи провели расчёты математической модели феррита висмута — прозрачного синтетического материала, принадлежащего к классу мультиферроиков, — с использованием суперкомпьютера, размещённого в вычислительном центре High Performance Computing Center Университета Арканзаса.
Это означает, что в структуре этого материала имеются отдельные области, в которых молекулы имеют упорядоченный образ их электрической поляризации. Границы между такими областями называют стенами и их, эти стены, можно рассматривать как двухмерные объекты из-за малой толщины, которая исчисляется десятыми долями нанометра.
В моделируемом материале исследователи создали электрический ток, называемый током смещения, путем приложения к материалу высокочастотного электрического поля. В отличие от традиционного электрического тока, который представляет собой движение потока электронов, ток смещения является следствием вибрации ионов, которая возникает под воздействием электрического поля.
Ток смещения является переменным электрическим током и он беспрепятственно проходит через стены областей в феррите висмута. А по величине токи смещения сопоставимы с постоянными электрическими токами, используемыми в обычных электронных устройствах.
При помощи изменения конфигурации прикладываемых к материалу электрических полей, исследователи могут создавать ограниченные стенами области в феррите висмута, находящиеся в строго заданном месте. Цепочки таких областей могут формировать проводники и электронные компоненты, по которым беспрепятственно могут циркулировать токи смещения. И, естественно, что кристаллы или пленки феррита висмута могут стать основой нового типа электронных устройств, позволяющих динамически менять их электронную схему и функциональные возможности.
Компактная природа и используемые физические эффекты позволят новым электронным устройства стать очень маленькими и очень быстрыми. “Материалы, такие, как феррит висмута, открывают дорогу для разработки наноразмерных, эффективных и быстрых электронных схем, которые могут стать основой электронных устройств следующих поколений” – пишут исследователи.
Для любознательных
Феррит висмута — это уникальный мультиферроик, способный одновременно проявлять магнитные и сегнетоэлектрические свойства. Это позволяет использовать его для создания энергонезависимой памяти и логических элементов, где управление данными происходит с помощью электрических полей.
Ключевые свойства, открывающие путь в новую электронику:
- Управление наномасштабом: В структуре материала можно создавать локальные доменные стенки, которые формируют проводники и электронные компоненты. Это дает возможность динамически менять конфигурацию электронной схемы.
- Работа при комнатной температуре: В чистом виде феррит висмута проявляет выраженные электромагнитные свойства только при низких температурах. Однако легирование (например, атомами гадолиния или марганца) позволяет эффективно использовать его в устройствах при повседневных температурах.
- Энергоэффективность: Переключение поляризации в таких материалах позволяет значительно снизить энергопотребление вычислительных систем по сравнению с традиционными кремниевыми аналогами.
Ведущие исследовательские центры (включая МИЭТ, ДГУ и ЮФУ) активно работают над модификацией состава феррита висмута, чтобы преодолеть его природные ограничения и приблизить коммерциализацию наноэлектроники следующего поколения.
Например, новый тип материалов для современной электроники создали ученые Национального исследовательского университета “Московский институт электронной техники” совместно с зарубежными коллегами. По словам авторов, их разработка является экологически чистой альтернативой материалам на основе ядовитого свинца, которые активно запрещают во всем мире. Данные опубликованы в журнале Materials Letters.
Кристаллическая структура химических соединений металлов характеризуется упорядоченным расположением элементов, которыми являются атомы c различным электрическим зарядом. Благодаря своим электрическим и магнитным свойствам некоторые и них могут формировать дополнительные упорядоченные системы, влияющие на физико-химические свойства материала.
Воздействуя на соединения металлов механически, электромагнитным полем или температурой, можно менять порядок связи в этих системах, тем самым меняя и свойства материала. Некоторые соединения реагируют только на один из факторов, но есть и так называемые мультиферроики – материалы, подверженные сразу нескольким типам упорядочения, что, по словам ученых, делает их незаменимыми в современной электронике.
Подобные свойства феррита висмута BiFeO3, как объяснили ученые МИЭТ, известны несколько десятилетий, но его применение оставалось ограниченным из-за слабых электромагнитных свойств, проявляющихся лишь при низких температурах. Для того, чтобы усилить их, ученые заместили часть атомов железа и висмута на атомы кальция и марганца. Такая модификация, по их словам, не только улучшает свойства соединения, но и позволяет использовать их при комнатной температуре.
“Замещение атомов путем твердофазного синтеза позволяет получать материалы с улучшенными электромеханическими, магнитными и магнитоэлектрическими характеристиками. Сегодня они востребованы почти повсеместно: в качестве пьезоэлектрических и магнитострикционных элементов, сенсоров магнитных полей, а также в солнечной энергетике и еще ряде областей”, – рассказал доцент Института перспективных материалов и технологий МИЭТ Максим Силибин.
Ученые подчеркнули, что большинство мультиферроиков, применяемых сегодня, содержат свинец, опасный для организма. Во всем мире его использование постепенно запрещается, и поэтому ученые МИЭТ уверены, что созданные ими экологически чистые материалы на основе феррита висмута найдут самое широкое применение.
Достигнутые результаты, как объяснили ученые, расширяют представления о связи между кристаллической структурой и свойствами мультиферроиков. Благодаря новым данным, специалисты МИЭТ разработали промышленный метод синтеза соединений этого типа с заданными электромагнитными параметрами.
В перспективе ученые МИЭТ планируют развить технологию производства мультиферроиков на основе BiFeO3 в виде тонких пленок, наиболее востребованных в электротехнике.
Изображение авторов исследования/Materials Letters Volume 266, 1 May 2020, 127470 Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
