Как ученым удалось создать светодиод толщиной всего в три атома. Какие преимущества дает такая миниатюризация. Где могут применяться сверхтонкие светодиоды. Как это открытие повлияет на развитие электроники будущего.
Прорыв в миниатюризации: создан трехатомный светодиод
Ученые из Вашингтонского университета совершили настоящий прорыв в области миниатюризации электронных компонентов. Им удалось создать светодиод толщиной всего в три атома, что делает его самым тонким источником света на сегодняшний день.
Данное достижение открывает новые горизонты для развития сверхкомпактной электроники будущего. Но как именно ученым удалось добиться такого результата?
Особенности конструкции трехатомного светодиода
- Основой светодиода стал двухмерный материал — диселенид вольфрама
- Толщина активного слоя составляет всего три атома
- Светодиод обладает гибкостью при сохранении высокой механической прочности
- Размеры в 10000 раз меньше толщины человеческого волоса
Профессор Ксиэодонг Ксу, руководивший исследованием, отмечает: «Мы считаем, что нам удалось достичь самых минимальных размеров, возможных с учетом существующего уровня развития технологий».
Преимущества сверхтонких светодиодов перед традиционными
Новая технология имеет ряд важных преимуществ по сравнению с обычными светодиодами:
- Сверхмалые размеры позволяют интегрировать светодиоды в микросхемы
- Низкое энергопотребление при сохранении яркости свечения
- Возможность создания гибкой электроники
- Повышение скорости передачи данных в оптических каналах связи
Все это открывает широкие перспективы для применения трехатомных светодиодов в самых разных областях электроники будущего.
Области применения сверхтонких светодиодов
Где могут найти применение новые светодиоды толщиной в три атома? Эксперты выделяют несколько ключевых направлений:
- Гибкие дисплеи для носимой электроники
- Сверхкомпактные источники света для микроскопических устройств
- Оптическая передача данных внутри микросхем
- Биосенсоры и медицинские имплантаты
- Квантовые вычислительные системы
Особенно перспективным выглядит применение трехатомных светодиодов для создания оптических межсоединений в микропроцессорах. Это позволит существенно увеличить скорость обмена данными между различными узлами чипа.
Технология изготовления сверхтонких светодиодов
Как же ученым удалось создать столь миниатюрный источник света? Ключевую роль сыграло использование двухмерных материалов и специальных методов синтеза.
Основные этапы создания трехатомного светодиода:
- Синтез пленки диселенида вольфрама толщиной в три атома
- Нанесение электродов из графена
- Формирование p-n перехода путем селективного легирования
- Нанесение защитного слоя
При этом для получения атомарно тонких пленок диселенида вольфрама использовался метод механического отслаивания с помощью клейкой ленты. Этот метод был разработан нобелевскими лауреатами Геймом и Новоселовым для получения графена.
Сравнение с существующими технологиями светодиодов
Насколько новая разработка превосходит существующие светодиоды? Давайте сравним ключевые параметры:
| Параметр | Обычные светодиоды | Трехатомные светодиоды |
|---|---|---|
| Толщина | 100-200 нм | ~1 нм |
| Гибкость | Нет | Да |
| Интеграция в чипы | Затруднена | Легко реализуема |
| Энергопотребление | Выше | Ниже |
Как видим, по ключевым параметрам новая технология существенно превосходит традиционные светодиоды. Это открывает возможности для качественного скачка в развитии микроэлектроники.
Перспективы дальнейшего развития технологии
Создание трехатомного светодиода — это только первый шаг. Какие перспективы открываются для дальнейшего развития этой технологии?
- Повышение квантовой эффективности светодиодов
- Расширение спектра излучения
- Интеграция с другими двумерными материалами
- Создание гибких светоизлучающих панелей большой площади
- Разработка трехатомных лазеров
Ученые продолжают работу над совершенствованием технологии. В ближайшие годы мы можем ожидать появления первых коммерческих применений трехатомных светодиодов в электронных устройствах.
Влияние на развитие микроэлектроники
Какое влияние окажет создание сверхтонких светодиодов на развитие микроэлектроники в целом? Эксперты выделяют несколько ключевых аспектов:
- Дальнейшая миниатюризация электронных устройств
- Снижение энергопотребления
- Повышение быстродействия за счет оптических межсоединений
- Создание принципиально новых типов электронных схем
- Развитие гибкой и прозрачной электроники
По мнению специалистов, технология трехатомных светодиодов может стать одним из ключевых драйверов развития микроэлектроники в ближайшие десятилетия. Она позволит преодолеть ограничения традиционной кремниевой технологии и выйти на новый уровень производительности и энергоэффективности электронных устройств.
Проблемы и вызовы на пути внедрения новой технологии
Несмотря на огромный потенциал, на пути широкого внедрения трехатомных светодиодов стоит ряд серьезных препятствий. С какими проблемами предстоит столкнуться ученым и инженерам?
- Сложность массового производства атомарно тонких пленок
- Необходимость защиты от внешних воздействий
- Интеграция с существующими технологиями микроэлектроники
- Обеспечение долговременной стабильности параметров
- Высокая стоимость производства на начальном этапе
Для решения этих проблем потребуются значительные усилия исследователей и инженеров. Однако эксперты уверены, что в ближайшие 5-10 лет большинство технических сложностей удастся преодолеть.
Заключение: новая эра в развитии микроэлектроники
Создание светодиода толщиной всего в три атома открывает новую эру в развитии микроэлектроники. Эта технология позволяет преодолеть фундаментальные ограничения, связанные с размерами компонентов, и выйти на принципиально новый уровень миниатюризации и энергоэффективности.
В ближайшие годы нас ожидает стремительное развитие этого направления, которое может привести к появлению электронных устройств с недостижимыми ранее характеристиками. Трехатомные светодиоды — это только первый шаг на пути к электронике будущего, основанной на двумерных материалах и квантовых эффектах.
Создан самый маленький в мире светодиод, имеющий толщину всего в три атома » DailyTechInfo
Практически в любой современной электронике, начиная от телевизоров, планшетных компьютеров, смартфонов и заканчивая крошечными носимыми электронными устройствами, используются светодиодные источники света, светодиоды (Light-Emitting Diode, LED). Светодиод является полупроводниковым устройством, которые излучает свет определенной длины волны под воздействием протекающего через него электрического тока. Поскольку в последнее время все более явно прослеживается тенденция к дальнейшей миниатюризации электроники, появляется больший спрос на полупроводниковые приборы меньшего размера, потребляющие меньше энергии, но обладающие характеристиками, сопоставимыми с характеристиками «полноразмерных» приборов. Двигаясь в этом направлении, ученые из Вашингтонского университета разработали сверхминиатюрный светодиод, который является самым маленьким источником света на сегодняшний день и толщина которого составляет всего три атома.
«Нам удалось создать самый маленький светодиод, толщина которого составляет всего три атома. Структура этого светодиода обладает гибкостью, сохраняя при этом высокую механическую прочность. Мы считаем, что нам удалось достигнуть самых минимальных размеров, которые возможно получить с учетом существующего уровня развития технологий. Такие тонкие, гибкие и миниатюрные светодиоды предназначены для использования в гибких компьютерах и других электронных устройствах будущего» — рассказывает Ксиэодонг Ксу (Xiaodong Xu), профессор материаловедения и физики из Вашингтонского университета.
Следует заметить, что самые миниатюрные светодиоды, уже используемые в современной электронике, имеют толщину в 10-20 раз превосходящую толщину светодиодов, разработанных вашингтонскими учеными. «Наши светодиоды в 10 тысяч раз тоньше, чем человеческий волос, но излучаемый ими свет, хоть и не виден человеческим глазом, но может быть зарегистрирован при помощи достаточно обычных светочувствительных датчиков.
Миниатюрный светодиод изготовлен из пленок «двухмерного» материала, диселинида вольфрама, который относится к группе двухмерных полупроводниковых материалов. Пленки диселинида вольфрама были изготовлены учеными при помощи обычной изоляционной ленты и метода, за который Андрею Гейму и Константину Новоселову была присуждена Нобелевская премия по физике 2010 года.
Основной областью применения миниатюрных светодиодов исследователи считают реализацию технологии оптических коммуникаций в пределах одного чипа, которая должна заменить традиционную передачу сигналов в виде электрического тока, распространяющегося по металлическим проводникам. «Крошечный светодиодный источник света является идеальным кандидатом на замену электрического соединения оптическим каналом. Такие оптические каналы будут иметь большую пропускную способность, но расходовать при этом гораздо меньше энергии».
В настоящее время группа ученых работает в направлении повышения эффективности миниатюрных светодиодов, пробуя различные комбинации двухмерных полупроводниковых материалов. Кроме этого параллельно ведется разработка технологии, при помощи которой можно будет изготавливать миниатюрные светодиоды прямо на кристаллах полупроводниковых чипов или наносить их матрицы на тонкопленочные основания.
Ключевые слова:
Светодиод, LED, Источник, Свет, Полупроводник, Электрический, Ток, Размер, Толщина, Атом, Материал
Первоисточник
Другие новости по теме:
Добавить свое объявление
Загрузка…
Самый маленький в мире светодиод имеет толщину всего в три атома
Практически в любой современной электронике, начиная от телевизоров, планшетных компьютеров, смартфонов и заканчивая крошечными носимыми электронными устройствами, используются светодиодные источники света, светодиоды (LED).
Поскольку в последнее время всё более явно прослеживается тенденция к дальнейшей миниатюризации электроники, появляется больший спрос на полупроводниковые приборы меньшего размера, потребляющие меньше энергии, но обладающие характеристиками, сопоставимыми с параметрами «полноразмерных» приборов. Двигаясь в этом направлении, учёные из Вашингтонского университета разработали сверхминиатюрный светодиод, который является самым маленьким источником света на сегодняшний день – толщина его составляет всего три атома.
Самые миниатюрные светодиоды, уже используемые в современной электронике, имеют толщину в 10-20 раз превосходящую толщину светодиодов, разработанных вашингтонскими учёными.
Миниатюрный светодиод изготовлен из плёнок «двухмерного» материала – диселинида вольфрама, который относится к группе двухмерных полупроводниковых материалов. Плёнки диселинида вольфрама были изготовлены учёными при помощи обычной изоляционной ленты и метода, за который Андрею Гейму и Константину Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике 2010 года.
Основной областью применения миниатюрных светодиодов исследователи считают реализацию технологии оптических коммуникаций в пределах одного чипа, которая должна заменить традиционную передачу сигналов в виде электрического тока, распространяющегося по металлическим проводникам.
В настоящее время группа учёных продолжает работать в направлении повышения эффективности миниатюрных светодиодов, пробуя различные комбинации двухмерных полупроводниковых материалов.
Параллельно ведётся разработка технологии, при помощи которой можно будет изготавливать миниатюрные светодиоды прямо на кристаллах полупроводниковых чипов или наносить их матрицы на тонкоплёночные основания.
www.dailytechinfo.org
со ссылкой на esciencenews.com
Поделиться:
№1 / 2023
Читать Купить
Сообщить о недоставленной печатной версии журнала «Современная электроника»
E-mail*
Фамилия*
Имя*
Компания*
Телефон*
Недоставленный номер журнала*
Номер№1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9 Год201520162017201820192020202120222023
Получали ли вы по этому же заявленному адресу предыдущие номера текущего года?*
- Да
- Нет
Комментарий
* — поля, обязательные для заполнения
Авторизация Регистрация
Пароль
На указанный в форме e-mail придет запрос на подтверждение регистрации.
Пароль
Повторите пароль
Нажимая кнопку «Регистрация», я принимаю условия Политики конфиденциальности
Восстановить пароль
E-Mail:
Вы успешно зарегистрированы. Перейти в личный кабинет
Пять последних номеров электронной версии журнала
доступны только авторизованным пользователям
Для чтения электронной версии журнала
зарегистрируйтесь или
авторизуйтесь
(если зарегистрированы)
Авторизованные пользователи могут читать электронную версию журнала БЕСПЛАТНО
Для чтения печатной версии журнала купите его
Для чтения журнала
подпишитесь, или купите его
Специалистам в области электронных компонентов
подписка предоставляется БЕСПЛАТНО
БЕСПЛАТНАЯ ПОДПИСКА
на электронную версию
Для бесплатного доступа
к электронной версии журнала
«Современная электроника» вам необходимо зарегистрироваться на сайте.
Зарегистрироваться
Подписка на ПЕЧАТНУЮ версию с гарантированной доставкой.
Подписка на рассылки
Будьте всегда в курсе самых свежих новостей
Подписаться на новости
Узнайте первыми о содержании нового номера
Подписаться на анонсы
Отказаться
Facebook Twitter
Самый маленький в мире диод сделан из ДНК
Микросветодиодные чиплеты Avicena однажды смогут соединить все процессоры в компьютерном кластере.
Если ЦП в Сеуле посылает байт данных процессору в Праге, информация покрывает большую часть расстояния как свет, перемещаясь без сопротивления. Но поместите оба этих процессора на одну и ту же материнскую плату, и они должны будут обмениваться данными по энергосберегающим медным проводам, что снижает скорость связи, возможную в компьютерах. Два стартапа из Силиконовой долины, Avicena и Ayar Labs, что-то делают с этим давним ограничением.
Если им удастся наконец довести оптическое волокно до процессора, это может не только ускорить вычисления, но и переделать их.
Обе компании разрабатывают оптоволоконные чиплеты, небольшие микросхемы, предназначенные для совместного использования высокоскоростного соединения с процессорами и другими микросхемами, требующими больших объемов данных, в общем корпусе. Каждый из них наращивает производство в 2023 году, хотя может пройти пара лет, прежде чем мы увидим на рынке компьютер с любым продуктом.
Ayar Labs преуспела в кардинальной миниатюризации и снижении энергопотребления кремниево-фотонных компонентов, используемых сегодня для передачи битов по центрам обработки данных по оптоволоконным кабелям. Это оборудование кодирует данные в несколько длин волн света от инфракрасного лазера и посылает свет по оптоволокну.
Чиплет Avicena отличается от других: вместо инфракрасного лазерного излучения он использует обычный свет от крошечного дисплея, сделанного из синих микросветодиодов.
И вместо того, чтобы мультиплексировать все оптические данные, чтобы они могли передаваться по одному волокну, оборудование Avicena отправляет данные параллельно по отдельным путям в специализированном оптическом кабеле.
На стороне Ayar — история, предлагающая клиентам технологию, аналогичную той, которую они уже используют для отправки данных на большие расстояния. Но Avicena, темная лошадка в этой гонке, получает выгоду от постоянного прогресса в индустрии микродисплеев, которая, по прогнозам, будет расти на 80 процентов в год и достичь 123 миллиардов долларов США к 2030 году, чему способствует будущее, полное оборудования виртуальной реальности и даже контактных линз дополненной реальности.
«Эти компании находятся на двух концах спектра с точки зрения риска и инноваций», — говорит Владимир Козлов, основатель и генеральный директор компании LightCounting, специализирующейся на анализе телекоммуникаций.
Кремниевый чип Avicena, LightBundle, состоит из массива микросветодиодов из нитрида галлия, массива фотодетекторов одинакового размера и некоторых схем ввода-вывода для поддержки связи с процессором, который он подает с данными.
Двойные оптические кабели диаметром 0,5 мм соединяют матрицу микросветодиодов на одном чиплете с фотодетекторами на другом и наоборот. Эти кабели, аналогичные кабелям визуализации в некоторых эндоскопах, содержат пучок волоконных жил, которые выстраиваются в линию с массивами на кристалле, обеспечивая каждому микросветодиоду собственный световой путь.
«Помимо наличия кабеля такого типа, Авицене нужны были еще две вещи, — объясняет он.
Бардия Пезешки, генеральный директор компании. «Первый, который, я думаю, больше всего удивил всех в отрасли, это то, что светодиоды могут работать со скоростью 10 гигабит в секунду», — говорит он. «Это ошеломительно», учитывая, что всего пять лет назад современные системы связи в видимом свете измерялись сотнями мегагерц. Но в 2021 году исследователи Avicena представили версию microLED, которую они назвали оптическими микроэмиттерами с усиленной полостью, или CROME. Устройства представляют собой микросветодиоды, которые были оптимизированы для скорости переключения за счет минимизации емкости и снижения эффективности преобразования электронов в свет.
Нитрид галлия обычно не интегрируют в кремниевые чипы для вычислений, но благодаря достижениям в индустрии микросветодиодных дисплеев это, по сути, решенная проблема. В поисках ярких излучающих дисплеев для AR/VR и других вещей технологические гиганты, такие как Apple, Google и Meta, потратили годы на поиск способов перенести уже построенные светодиоды микрометрового масштаба в точные точки на кремнии и других поверхностях. Теперь «это делают миллионы каждый день», — говорит Пезешки. Сама Авицена недавно приобрела завод, на котором разрабатывались CROME, у своего соседа из Силиконовой долины Nanosys.
Производителям компьютеров нужны решения, которые не только помогут в ближайшие два-три года, но и обеспечат надежные улучшения на десятилетия.
Вторым компонентом был фотодетектор. Кремний плохо поглощает инфракрасный свет, поэтому разработчики кремниево-фотонных систем обычно компенсируют это, делая фотодетекторы и другие компоненты относительно большими. Но поскольку кремний легко поглощает синий свет, фотодетекторы для системы Avicena должны иметь толщину всего в несколько десятых микрометра, что позволяет легко интегрировать их в чиплет под массивом формирующих волокон.
Пезешки благодарит Дэвида А.Б. из Стэнфорда. Миллер более десяти лет назад доказал, что КМОП-фотодетекторы, обнаруживающие синий свет, достаточно быстры, чтобы выполнять эту работу.
По словам Пезешки, комбинация оптического волокна, синих микросветодиодов и кремниевых фотодетекторов приводит к системе, которая в прототипах передает «много» терабит в секунду. Не менее важным, чем скорость передачи данных, является низкая энергия, необходимая для небольшого перемещения. «Если вы посмотрите на целевые значения кремниевой фотоники, то увидите, что они составляют несколько пикоджоулей на бит, и это от компаний, которые намного опережают нас» с точки зрения коммерциализации, — говорит Пезешки. «Мы уже побили эти рекорды». В демонстрации система перемещала данные, используя около половины пикоджоуля на бит. Первый продукт стартапа, который ожидается в 2023 году, не будет доходить до процессора, а будет направлен на подключение серверов в стойке центра обработки данных. Чиплет для оптических соединений между чипами последует «прямо за ним по пятам», говорит Пезешки.
Но есть пределы способности микросветодиодов передавать данные. Поскольку светодиодный свет является некогерентным, он страдает от эффектов рассеивания, которые ограничивают его расстояние до 10 метров. Лазеры, напротив, естественно хороши для преодоления дистанции; Чипсеты Ayar TeraPHY имеют радиус действия до 2 километров, потенциально разрушая архитектуру суперкомпьютеров и центров обработки данных даже больше, чем технология Avicena. Они могли бы позволить производителям компьютеров полностью переосмыслить свою архитектуру, позволив им построить «по сути один компьютерный чип, но построить его в стоечном масштабе», — говорится в сообщении. Генеральный директор Ayar Чарли Вуишпард. По его словам, компания наращивает производство вместе со своим партнером GlobalFoundries и вместе с партнерами создает прототипы в 2023 году, хотя они вряд ли будут обнародованы.
Козлов говорит, что ожидает появления многих новых конкурентов. Производителям компьютеров нужны решения, которые «не только помогут в ближайшие два-три года, но и обеспечат надежные улучшения на десятилетия».
В конце концов, медные соединения, которые они стремятся заменить, также все еще совершенствуются.
Эта статья появилась в печатном выпуске за январь 2023 года под названием «Тёмная (синяя) лошадь появляется для ускорения вычислений».
Продолжайте читать ↓Показать меньше
Создан самый маленький в мире диод — ScienceDaily
Новости науки
от научно-исследовательских организаций
- Дата:
- 4 апреля 2016 г.
- Источник:
- American Associates, Университет Бен-Гуриона в Негеве
- Резюме:
- Создан самый маленький в мире диод размером с одну молекулу. Ученые построили теоретическую модель молекулы ДНК внутри электрической цепи, чтобы лучше понять результаты эксперимента.
- Поделиться:
Фейсбук Твиттер Пинтерест LinkedIN Электронная почта
ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ
Самый маленький в мире диод размером с одну молекулу был разработан совместно американскими и израильскими исследователями из Университета Джорджии и Университета Бен-Гуриона в Негеве (BGU).
реклама
Их исследование будет опубликовано в Интернете в Nature Chemistry от 4 апреля 2016 г.
«Создание и определение характеристик самого маленького в мире диода — это важная веха в разработке молекулярно-электронных устройств», — объясняет доктор Йони Дуби, научный сотрудник химического факультета БГУ и Института наноразмеров имени Ильзы Кац. Наука и технология. «Это дает нам новое понимание механизма электронного транспорта».
Постоянный спрос на большую вычислительную мощность раздвигает ограничения современных методов. Эта потребность побуждает исследователей искать молекулы с интересными свойствами и находить способы установления надежных контактов между молекулярными компонентами и объемными материалами в электроде, чтобы имитировать обычные электронные элементы на молекулярном уровне.
Примером такого элемента является наноразмерный диод (или молекулярный выпрямитель), который работает как клапан, облегчая протекание электронного тока в одном направлении.
Набор этих наноразмерных диодов или молекул имеет свойства, которые напоминают традиционные электронные компоненты, такие как провод, транзистор или выпрямитель. Развивающаяся область мономолекулярной электроники может дать способ обойти закон Мура — наблюдение, согласно которому за всю историю вычислительной техники количество транзисторов в плотных интегральных схемах удваивалось примерно каждые два года — за пределами обычных кремниевых интегральных схем. схемы.
Группа профессора Бинцянь Сюй из Инженерного колледжа Университета Джорджии взяла единственную молекулу ДНК, состоящую из 11 пар оснований, и соединила ее с электронной схемой размером всего несколько нанометров. Когда они измерили ток через молекулу, она не показала никакого особого поведения. Однако когда слои молекулы под названием «коралин» были вставлены (или интеркалированы) между слоями ДНК, поведение цепи резко изменилось. Ток подскочил до 15-кратного увеличения отрицательного напряжения по сравнению с положительным — необходимая функция для нанодиода.
«Подводя итог, мы сконструировали молекулярный выпрямитель, встраивая определенные небольшие молекулы в сконструированные нити ДНК», — объясняет профессор Сюй.
Доктор Дуби и его ученица Элинор Зера-Харуш построили теоретическую модель молекулы ДНК внутри электрической цепи, чтобы лучше понять результаты эксперимента. «Модель позволила нам определить источник диодной функции, которая возникает из-за нарушения пространственной симметрии внутри молекулы ДНК после введения коралина».
реклама
Источник истории:
Материалы предоставлены American Associates, Университет Бен-Гуриона в Негеве . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Ссылки на журналы :
- Кунлан Го, Кун Ван, Элинор Зерах-Харуш, Джозеф Хэмилл, Бин Ван, Йонатан Дуби, Бинцянь Сюй. Молекулярный выпрямитель, состоящий из ДНК с высоким коэффициентом выпрямления, обеспечиваемым интеркаляцией .
