Стремление к созданию более мощных и компактных электронных компонентов на протяжении десятилетий определяло развитие технологий. В последнее время внимание исследователей сосредоточено на двумерных материалах, таких как графен или дисульфид молибдена, которые состоят всего из одного или нескольких атомных слоев. Считалось, что их уникальные свойства позволят преодолеть физические пределы кремниевых технологий и создать сверхминиатюрные транзисторы.
Однако специалисты Венского технического университета пришли к выводу, что применение этих материалов в реальном производстве может столкнуться с фундаментальной проблемой. Исследование показало, что при совмещении двумерного полупроводника с изолирующим слоем, необходимым для работы любого электронного устройства, между ними неизбежно возникает зазор на атомном уровне. Эта микроскопическая щель резко снижает эффективность передачи сигнала и препятствует дальнейшему уменьшению размеров компонентов.
Причина кроется в особенностях взаимодействия материалов. В большинстве существующих комбинаций связь между слоями обеспечивается слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Из-за недостаточного притяжения полупроводник и диэлектрик не прилегают друг к другу вплотную. Ширина возникающего пространства составляет около 0,14 нанометра. Для сравнения, это в семьсот раз меньше размера вируса SARS-CoV-2, однако даже такого расстояния достаточно, чтобы ослабить емкостную связь и нивелировать преимущества самого современного материала.
По мнению авторов работы, до сих пор научное сообщество уделяло слишком много внимания свойствам самих двумерных структур, игнорируя интерфейсы – границы их соприкосновения с другими элементами цепи. Именно состояние этих границ в конечном итоге определит успех или провал новых технологий в микроэлектронике. Игнорирование данного фактора может привести к потере миллиардных инвестиций в подходы, которые ограничены законами физики.
В качестве возможного решения ученые предлагают использовать так называемые «материалы-молнии». В таких структурах полупроводник и изолятор образуют гораздо более прочные химические связи, что позволяет полностью устранить зазор. Результаты исследования дают полупроводниковой индустрии возможность заранее прогнозировать пригодность тех или иных комбинаций материалов для производства чипов будущего. Ключевым выводом стало требование проектировать активные и изолирующие слои как единую систему с самого начала разработки.
