Благодаря своей уникальной кристаллической структуре, алмазы обладают высокой устойчивостью к электрическому напряжению и обеспечивают эффективную теплоотдачу, что делает их востребованным материалом в электронике. Недавно проведенные исследования позволили решить задачу, ранее казавшуюся невыполнимой: интегрировать алмазы в кремниевые чипы, сохранив при этом их характерные свойства. Согласно исследованию, в журнале Diamond and Related Materials, этот прогресс может изменить индустрию кремниевой микроэлектроники и стимулировать развитие квантовых вычислений.
Интеграция синтетических алмазов в кремниевые схемы сталкивается с существенными техническими сложностями. Первопричиной является различие в кристаллической структуре алмаза и кремния, что приводит к образованию дефектов, способных снизить электронные свойства устройств. Также, изготовление синтетических алмазов нередко использует технологию HPHT (высокое давление, высокая температура), что несовместимо с производством кремниевых чипов, требующих более щадящих температурных режимов.
Синтетические алмазы получают при температурах от 700 до 1200 °C методом плазменно-каталитического химического осаждения из газовой фазы. Однако, как показали предыдущие исследования, данный способ может вызывать образование сажи. Данный осадок негативно влияет на характеристики алмазов, что снижает их пригодность для использования в электронных, оптических и детекторах.
Благодаря поддержанию необходимой критической температуры, удалось добиться прорыва
Ученые под руководством Юрия Барсукова из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) успешно справились с возникшими сложностями. Как отмечает Барсуков, этот процесс аналогичен замерзанию воды в лед, где ключевым фактором является «критическая температура». В пресс-релизе он поясняет: « Для интеграции алмазов в кремниевые устройства требуется контроль процесса их роста при относительно низких температурах ». «При температурах выше критической ацетилен стимулирует образование алмазов, в то время как при более низких температурах он преимущественно образует сажу », — добавляет он.
Концентрация ацетилена и водорода оказалась определяющим фактором, показала команда. Водород не участвует непосредственно в процессе роста алмазов, но выступает в качестве катализатора при более низких температурах, что положительно влияет на их качество. Успешное управление этим этапом критически важно для внедрения алмазов в современную электронику. Однако при решении задач в области квантовых вычислений остаются сложности, поскольку для них требуются алмазы с исключительной чистотой и определенной структурой.
Алмазы и квантовые вычисления: перспективное сочетание?
Благодаря своим уникальным свойствам алмазы представляют собой отличный материал для квантовых вычислений и защищенных каналов связи. В отдельном исследовании, которое возглавили ученые из PPPL, Принстонского университета и Королевского технологического института Мельбурна, рассматривались возможности совершенствования синтетических алмазов для создания кубитов и высокоточного детектора. Результаты исследования были опубликованы в июле 2024 года в журнале , работа была посвящена защите квантовых алмазов — специализированной форме, характеризующейся заменой некоторых атомов углерода на азот, что приводит к образованию NV-центра или азото-замещённой вакансии в алмазе.
Для применения квантовых характеристик алмазов требуются эти центры, однако их поддержание представляет собой непростую задачу. Для решения этой проблемы ученые предложили два подхода: «отжиг пластового газа» (использование смеси водорода и азота для стабилизации дефектов) и «холодное плазменное завершение». Разрабатываемые методы направлены на нанесение защитного слоя из водорода, при этом целостность основной структуры центров должна сохраняться.
По мнению исследователей, следующим этапом станет усовершенствование этих подходов для получения гидрогенизированных алмазных поверхностей, оптимальных для использования в современных электронных устройствах. При этом планируется сохранить азотно-лакунные центры. Эти разработки могут открыть возможности для создания вычислительных технологий нового поколения, отличающихся энергоэффективностью и высокой производительностью.