Materiały przyszłości

Z tego powodu naukowcy zajmujący się nowymi materiałami pracują nad nowoczesnymi rozwiązaniami pozwalającymi tworzyć mikroskopijne struktury. Cudowny wynalazek, jakim okazał się grafen, nie jest jedynym surowcem, z którym prowadzi się obecnie eksperymenty. Wachlarz nowych materiałów obejmuje zarówno jednowarstwowe struktury atomowe, niezbędne do tworzenia miniaturowych procesorów, jak i dobrze znane pierwiastki, takie jak siarka, które mogą stać się podstawą do tworzenia nowych, wydajnych baterii.

Lepsze komputery

Prawo Moore’a to mantra przemysłu półprzewodników: procesory mają być szybsze i coraz mniejsze. Aby działało nadal, muszą zostać wynalezione nowe materiały, umożliwiające wytwarzanie mniejszych tranzystorów, ponieważ w przypadku krzemu docieramy do granic jego fizycznych możliwości. Materiałem uważanym obecnie za następcę krzemu jest german. Ten półprzewodnik odznacza się lepszymi właściwościami od krzemu: jego niewielki opór pozwala na wyższe taktowanie procesorów, bez doprowadzenia do wzrostu temperatury. W przypadku germanu sieć krystaliczna atomów jest ciaśniejsza niż ta w krzemie, co jest dobrą podstawą do tworzenia mniejszych elementów tranzystorów.

Pierwsze tranzystory były zbudowane z germanu, jednak półprzewodnik ten był dużo trudniejszy w produkcji niż krzem. Nowe wyniki badań mogą przyczynić się do jego powrotu.

Mikroskopijne chipy składają się z milionów lub miliardów tranzystorów polowych (FET). W zależności od typu przewodnika rozróżniamy tranzystory z kanałem typu “p” oraz tranzystory z kanałem typu “n”. Pierwsze z nich, budowane z germanu, dostępne są już od dawna, natomiast na masową produkcję germanowych tranzystorów z kanałem typu “n” będziemy musieli jeszcze poczekać. Dotychczasowe konstrukcje wykorzystujące krzem utrudniają dalszą miniaturyzację tranzystorów. Zespół naukowców pod kierownictwem Peide Ye z Purdue University w Indianie przedstawił pierwszy układ wykonany w technologii CMOS, w którym tranzystory z kanałem typu “n” są zbudowane z germanu.

Krewny krzemu z potencjałem

Pamięć z ferroelektrycznych tranzystorów byłaby tak szybka jak RAM i tak trwała jak dyski magnetyczne. To, co długo pozostawało tylko w sferze teorii, dzięki germanowi może się urzeczywistnić.

Alex Demkov z University of Texas postrzega german nie tylko jako bazę do konstrukcji procesorów. Mógłby on również zrewolucjonizować technologie produkcji pamięci. Fizyk obliczył, że z półprzewodników można zbudować ferroelektryczną pamięć, złożoną z tranzystorów polowych. FeFET zachowuje swój stan, podobnie jak EEPROM-y w pamięci flash, nie ma przy tym konieczności dostarczania prądu. Da się ją więc wykorzystać jako nośnik danych. Pamięć z FeFET oferowałaby wówczas szybkość odczytu i zapisu porównywalną do szybkości dzisiejszych pamięci RAM. Demkov skonstruował w laboratorium bramkę stanowiącą centralny element FeFET. Wykorzystał tytanian baru nałożony na sztabkę germanu. Teraz pracuje nad kolejnymi elementami konstrukcji FeFET: źródłem i drenem. Jako substytut krzemu obok germanu wymieniane są także tzw. monostruktury 2D, składające się tylko z jednej warstwy atomów. Najbardziej znanym spośród nich jest grafen, często określany mianem cudownego materiału. Ta odmiana węgla nie nadaje się jednak do wytwarzania układów scalonych. Materiał prawie nie stawia oporu elektrycznego, nie można więc po prostu włączać i wyłączać tranzystorów zbudowanych z grafenu.

Cała nadzieja w monostrukturze 2D złożonej z atomów krzemu. Wprawdzie silicen jest trudniejszy w produkcji niż grafen, jednak dzięki swojej delikatnie falistej strukturze ma tak zwane luki w wiązaniach. Ta jego właściwość sprawia, że materiał jest plastyczny, łatwy w układaniu. Problemem okazuje się tylko to, że silicen ulatnia się w powietrzu po kilku minutach. Naukowcy gorączkowo szukają obecnie metody pozwalającej uczynić ten materiał bardziej trwałym. W przypadku powodzenia nic nie stałoby na przeszkodzie dalszej miniaturyzacji procesorów.

Nowy typ półprzewodników – nanorurki – jest zrośnięty na płaszczyźnie atomowej z jego elektrycznym złączem. Takie stabilne połączenie powinno umożliwić wytwarzanie w skali przemysłowej.

Coraz mniejsze tranzystory potrzebują również nowych technologii wytwarzania. Konstrukcje o wielkości mniejszej niż 10-nanometrów wymuszą na producentach układów scalonych sięgnięcie po nanoprzewody w roli tranzystorów. Aby można było je wykorzystać do tego celu, konieczne jest elektryczne połączenie ze światem zewnętrznym, a więc musiałyby stykać się z metalem. Dotychczas elementy kontaktowe wymagały pracochłonnej metody i były wytwarzane oddzielnie, a następnie składano je w całość. Naukowcy z University of Copenhagen opracowali bardziej wydajną metodę produkcji. Udało im się stworzyć hybrydę nanoprzewodów, która jest zrośnięta ze swoim elektrycznym kontaktem. Profesor Thomas Sand Jespersen widzi potencjał swojego nowego projektu w tym, że oprócz jakości wykonania poprawia ono wyraźnie również reprodukcyjność połączeń przewodników metalowych z nanoprzewodami. To istotna cecha dla późniejszej komercjalizacji technologii. On i jego kolega Peter Krogstrup właśnie pokazali, że ich przewody hybrydowe możemy zestawiać na miliardy sposobów w jednym układzie scalonym. Badacze przy tym nie skupiają się wyłącznie na konwencjonalnych komputerach. Zastosowany przez nich metal – aluminium – cechuje nadprzewodnictwo, dzięki czemu ich technologia może również znaleźć zastosowanie w układach scalonych przyszłych komputerów kwantowych.

Przełom w ceramicznych nadprzewodnikach

W przypadku nadprzewodnictwa pola magnetyczne metalu położone wewnątrz wypierane są na zewnątrz, przez co magnesy zaczynają się unosić. Po raz pierwszy ten efekt udało się uzyskać w temperaturze pokojowej.

Największym problemem nadprzewodnictwa jest to, że efekt braku oporu pojawia się jedynie w bardzo niskich temperaturach. Aluminium staje się nadprzewodnikiem w -272 stopniach Celsjusza. Musi być więc chłodzone płynnym helem, a to bardzo kosztowny proces. Aby wykorzystać nadprzewodniki w procesach przemysłowych do zbudowania na ich podstawie komputera kwantowego, materiał musiałby być nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej. Dotąd rozwiązanie takie było poza zasięgiem. Międzynarodowemu zespołowi kierowanemu przez Andreę Cavalleriego z Instytutu Maxa Plancka udało się podczas eksperymentu polegającego na ostrzale stopu światłem lasera podczerwonego, przez bardzo krótki czas, nadać wytworzonemu stopowi ceramicznemu cechę nadprzewodzenia w temperaturze pokojowej. Wprawdzie efekt utrzymuje się dotąd zaledwie przez milionową część mikrosekundy, lecz wyniki eksperymentu są pierwszym krokiem do opracowania przyszłościowego nadprzewodnika, który będzie działał bez konieczności schładzania.

Postępy w zakresie badania materiałów, które zwiększyłyby szybkość komputerowych układów scalonych i nośników pamięci, okażą się jednak mało znaczące, jeśli weźmiemy pod uwagę kolejne wąskie gardło: transfer danych. Informacje pomiędzy rdzeniami CPU lub pomiędzy układami scalonymi i jednostkami pamięci przekazywane są przez miedziane połączenia. Taka droga transportu impulsów w przyszłości by się nie sprawdziła. Spowodowałaby na płaszczyźnie procesorów gigantyczny korek na autostradzie danych. Idealnym rozwiązaniem byłoby zastosowanie światła w miejsce metalowych przewodników. Dotychczas eksperci nie mogli znaleźć adekwatnego materiału, z którego można by skonstruować laser kompatybilny z dostępnymi chipami. Przełom nastąpił z końcem stycznia, kiedy naukowcy z Jülich Research Center i Paul Sherrer Institute przedstawili laser germanowo-cynowy, działający w podczerwieni. Prototyp wymaga układu chłodzącego, bez którego nie może funkcjonować. Naukowcy już pracują nad rozwiązaniem problemu.

Wyświetlacze kwantowe

Kropki kwantowe to nanokryształy z InGaAs (ind, german, arsen). Gdy są pobudzane przez energię, odbijają światło w różnych długościach fal. Im mniejsza kropka, tym emitowane światło ma krótszą falę. W ten sposób możemy reprodukować każdy kolor widocznego spektrum.

Producenci telewizorów tacy jak Samsung czy LG ustawicznie konkurują ze sobą w dziedzinie najlepszych wyświetlaczy. Podczas CES 2015 oba koncerny przedstawiły telewizory Ultra HD, które funkcjonują w oparciu o tzw. technikę kropek kwantowych (ang. quantum dot). Rozwiązanie takie pozwala nie tylko rozszerzyć paletę kolorów ekranów, lecz również poprawić nasycenie barw. Kropki kwantowe to nanokryształy, które są złożone z tak zwanych połączeń półprzewodników, takich jak ind, gal i arsen. W zależności od ich rozmiaru są w stanie oddać światło o dokładnie definiowalnych długościach fal. Ponieważ możemy precyzyjnie ustalić wielkość kropek kwantowych w procesie produkcji, tak samo dokładnie potrafi my określić wytworzone przez nie kolory. Jeśli w LCD przed podświetlonymi niebieskimi LED-ami zostanie zamontowana transparentna folia z bilionami czerwonych i zielonych kropek kwantowych, wówczas powstanie biały obraz, w którym wszystkie trzy kolory RGB będą wyświetlane w takiej samej jakości. W dotychczasowych, białych podświetleniach LED odcienie czerwieni i zieleni wypadają gorzej niż odcienie koloru niebieskiego. Kropki kwantowe wyrównują tę dysproporcję w wyświetlaczach LCD dzięki zastosowaniu niebieskiego podświetlenia LED, co prowadzi do lepszego odwzorowania barw.

Subtelne przesuwanie kropek kwantowych poprzez wszelkie możliwe udziały barw prowadzi do tego, by wyświetlacz mógł pokazać więcej kolorów niż dotychczas. Kolejną zaletą opisanej technologii jest to, że folie kropek kwantowych da się wytwarzać mniejszym kosztem, ponieważ można je włączyć do już istniejących procesów produkcyjnych ekranów ciekłokrystalicznych. W rezultacie uzyskamy ekrany, które dysponują porównywalnie dobrą jakością obrazu jak wyświetlacze OLED, a wymagają poniesienia zaledwie ułamka kosztów produkcyjnych i inwestycyjnych.

Transparentne LED-y z grafenu

Inna technologia produkcji wyświetlaczy bazująca na nanomateriałach wciąż jest w powijakach, jednak ma potencjał, by przyczynić się do opracowania całkowicie nowych ekranów. Naukowcy z University of Manchester i University of Sheffield zaprojektowali prototyp semitransparentnych ekranów, w których LED-y połączone są grafenem. Wyświetlacz składa się z różnych kryształów 2D ułożonych na przemian warstwach i ma grubość wynoszącą zaledwie od 10 do 40 atomów. Jest on przezroczysty i może emitować na swojej powierzchni światło. Serce wyświetlacza stanowi tzw. studnia kwantowa, którą naukowcy wytwarzają poprzez połączenie różnych jednowymiarowych struktur kryształów. Wewnątrz studni kwantowej elektrony odbijają fotony (światło). Badacze wskazują, że poprzez dobór umieszczonego wewnątrz materiału – tu jest to siarczek wolframu (IV) – możemy określić długości fal odbitych fotonów i dobrać kolor LED-ów. Ekran został skonstruowany na plastycznym podłożu z grafenu, jest nie tylko przejrzysty, lecz również giętki i teoretycznie mógłby być noszony na przegubie ręki.

Wytrzymalsze baterie

Pojemność akumulatora litowo-jonowego jest określana przez anodę. Zastosowanie nowych materiałów umożliwia firmie SolidEnergy zbudowanie anody z czystego litu. Może być ona bardzo mała – a wraz z nią cała bateria.

Smartfony stają się coraz cieńsze i szybsze. Jednak co z tego, skoro i tak trzeba codziennie ładować baterię. W czasach mobilnych komputerów i urządzeń wearable wzrasta popyt na wydajne baterie. Pytanie brzmi: ile energii zmieści się w ściśle określonej przestrzeni? W przypadku dominującej współcześnie technologii litowo-jonowej oznacza to, że im więcej atomów litu pasuje do anody baterii,
tym więcej energii może ona magazynować. Najbardziej efektywne byłyby anody zbudowane z czystego litu, jednak takie próby prowadziły dotąd do tego, że baterie nie działały już po kilku cyklach
ładowania lub wybuchały.
Start-upowi Solid Energy, wywodzącemu się z Massachusetts Institute of Technology, udało się rozwiązać wspomniany problem. W skutek połączenia stałych i płynnych elektrolitów (materiał, przez który wędrują jony litu podczas rozładowania) reakcja chemiczna pomiędzy litem i płynnym elektrolitem, która może spowodować zapłon baterii, jest blokowana. Stały elektrolit działa jak ścianka działowa pomiędzy litem i płynnym elektrolitem. Wprawdzie kieruje on jonami gorzej niż płynny elektrolit, jednak jego grubość jest tak mała, że wada ta nie ma znaczącego wpływu na działanie baterii. Nowy sposób budowania ogniw elektrycznych umożliwia zagęszczenie energii. W pierwszym teście baterie po 300 cyklach ładowania utraciły tylko 20 proc. swojej pojemności – to wartość porównywalna do tej cechującej dzisiejsze baterie montowane w smartfonach.

Baterie przyszłości: z powietrza i wody

Projekt “LiScell” Instytutu Fraunhofera zakłada do 2017 r. badania nad nowymi bateriami, w których obiegowy materiał katodowy używany w bateriach litowo-jonowych zostanie zastąpiony przez korzystniejszą cenowo siarkę.

Popularne w smartfonach baterie litowo-jonowe nie są optymalnym rozwiązaniem dla samochodów elektrycznych. Zagęszczenie energii w tym przypadku jest zbyt małe, przez co dotychczas produkowane samochody elektryczne były ograniczone trudnym do zaakceptowania zasięgiem wynoszącym zaledwie 150 km. Poza tym stosowane w bateriach litowo-jonowych materiały katodowe
– mangan lub kobalt – są stosunkowo drogie. Do projektu “LiScell” w 2014 roku przyłączyły się cztery Instytuty Fraunhofera, które prowadzą badania nad bateriami litowo-siarkowymi (Li-S). W akumulatorach Li-S zastąpiono stosowany dotąd droższy materiał katodowy tańszym – nietoksyczną siarką. Ponadto naukowcy chcą zwiększyć gęstość energii o 60 proc. Jeszcze wyższe zagęszczenie energii możemy uzyskać w przypadku baterii metalowo- powietrznych. Niestety, anody z metalu takiego jak aluminium wskutek procesów elektrochemicznych w akumulatorze szybko ulegają zniszczeniu. Japońska firma Fuji Pigment poinformowała, że ma możliwość produkowania baterii nowego typu z aluminium i powietrza. Aluminiowa elektroda powinna wytrzymać przynajmniej 14 dni, ponieważ zdaniem producentów chroni ją warstwa ceramiczna. Według Fuji Pigment teoretyczne zagęszczenie energii jest 40 razy większe niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowo. Co ciekawe, żeby bateria nowego typu działała, musi być jedynie od czasu do czasu napełniana wodą.