новости науки и техники 

Создан первый в мире молекулярный диод, состоящий исключительно из углерода

Группе ученых из Стэнфордского университета, при содействии ученых из Бельгии, Германии и Украины, удалось "скрестить" две не самых обычных формы углерода, микроскопический алмаз, так называемый алмазоид, с бакиболлом, еще одним из видов углерода, форма которого напоминает форму футбольного мяча. Получившаяся в результате такого "скрещивания" молекула проводит электрический ток в одном направлении, являясь, по сути, аналогом известного электронного компонента, называемого диодом. Данное достижение является достаточно значимым шагом для сокращения компонентов электронных чипов до молекулярного уровня, что, в свою очередь, позволит изготавливать действительно миниатюрные электронные устройства, обладающие достаточно высокой мощностью и эффективностью.

"Экспериментируя, мы изучали то, какие новые свойства могут обрести молекулы, составленные из двух совершенно разных форм углерода. Мы назвали эти новые молекулы "бакиалмазоидами" (buckydiamondoid)" - рассказывает Хари Мэнохаран (Hari Manoharan), ученая из Института материаловедения и энергетики (Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, SIMES) Стэнфордского университета, - "То, что нам удалось получить, является односторонним "клапаном" для электрического тока, который действует совершенно отлично от действия его составных частей".

Бакиболлы (Buckyballs, Buckminsterfullerenes) - это полые сферы из 60 атомов углерода, за открытие которые трое ученых в 1985 году удостоились Нобелевской премии по физике и химии. Алмазоиды (Diamondoids) - это крошечные кристаллы алмаза, состоящие из нескольких атомов углерода и весящие всего одну миллиардную часть от миллиардной части карата. И, следует заметить, эти оба материала являются сейчас предметом повышенного интереса со стороны ученых в силу их некоторых уникальных свойств.

Базой для создания углеродного молекулярного диода стали следования 2007 года, проведенные учеными из Стендфордского университета и лаборатории линейных ускорителей SLAC. В то время ученым удалось обнаружить, что тонкий слой из алмазоидов, нанесенный на поверхность металла, является весьма эффективным источником электронного излучения. И недавно ученым пришла в голову мысль совместить излучающие электроны алмазоиды с бакиболами, которые, наоборот, очень хорошо их поглощают.

Получившиеся бакиалмазоиды являются крошечными структурами, длина которых равна всего нескольким нанометрам. Изображения этих гибридных молекул были получены при помощи сканирующего туннельного микроскопа, который использовался еще и дли проведения измерений электрических характеристик углеродного диода. Оказалось, что этот диод является самым лучшим диодом из всех молекулярных диодов, созданных учеными ранее. В одну строну он пропускает ток, в 50 раз превышающий ток, который может пройти в обратном направлении.

В заключение стоит отметить, что углеродный диод является не первым молекулярным диодом, изготовленным учеными. Но, в отличие от других представителей этого семейства новый электронный прибор отличается превосходными электрическими характеристиками и тем, что в его составе находятся только атомы углерода и немного атомов водорода, который используется в качестве своеобразного "клея". А в самом ближайшем времени ученые собираются провести дополнительные исследования в направлении создания молекулярных электронных приборов. И очередным кандидатом на его изготовление из одного углерода станет транзистор, прибор, имеющий два полупроводниковых перехода и играющий самую главную "скрипку" во всей современной электронике.

Созданы транзисторы с крайне низким потреблением энергии, работающие за счет охлажденных электронов

Исследователи из Техасского университета в Арлингтоне и Техасского университета в Далласе разработали технологию, позволяющие охладить электроны до температуры в -228 градусов по шкале Цельсия, которые движутся внутри материала, находящегося при комнатной температуре. И на базе такой технологии охлаждения электронов исследователи создали опытный образец транзистора, который потребляет при своей работе крайне малое количество энергии, сохраняя на соответствующем уровне все остальные электрические характеристики.

"Нашей группе удалось, используя потенциальную яму в структуре полупроводника и другие квантовые явления, эффективно охладить электроны и препятствовать их дальнейшему нагреву при движении внутри материала, имеющего комнатную температуру" - рассказывает Сеонг Чжин Кох (Seong Jin Koh), профессор из Техасского университета, - "Конечно, охлаждать электроны до сверхнизкой температуры людям удавалось уже достаточно давно, но это делалось лишь при помощи специальных криогенных систем охлаждения, обычно используемых энтузиастами-оверклокерами, или путем полного погружения устройства в ванну с жидким азотом или жидким гелием".

Для предотвращения возбуждения электронов и удержания их в охлажденном состоянии ученые использовали уникальную наноразмерную структуру полевого транзистора. В эту структуру вошли электрод истока, потенциальная яма, туннельный барьер, квантовая точка, второй туннельный барьер и электрод стока. В структуре этого транзистора возникают достаточно сложные физические и квантовые явления, описать которые простым понятным языком, к сожалению, не предоставляется никакой возможности.

Несмотря на сложность происходящих в полупроводнике явлений, структура такого транзистора может быть легко изготовлена при помощи существующих промышленных технологий. А внедрение транзисторов, работающих на охлажденных электронах, в процессоры и другие чипы позволит сократить потребление энергии электронными устройствами минимум в 10 раз. Это, в свою очередь, позволит использовать аккумуляторные батареи меньшей емкости или кардинально увеличить время непрерывной работы мобильных телефонов, планшетных компьютеров и другой портативной электронной техники от одного заряда их аккумуляторной батареи.

Крошечный радио-чип, размером с муравья, может стать "двигателем" Интернета вещей

Ученые и инженеры из Стэнфордского университета разработали и изготовили опытные образцы крошечных радио-чипов, размер которых сопоставим с размером муравья, которые достаточно недороги и функциональны для того, чтобы в перспективе стать основным двигателем так называемого Интернета вещей. Напомним нашим читателям, что под термином "Интернет вещей" подразумевается совокупность электронных приборов, бытовой техники и других устройств повседневного использования, которые получают и обмениваются данными через Интернет, помогая людям выполнять повседневные задачи или взваливая их выполнение полностью на свои плечи.

Радио-чип собран на кремниевой пластине, длины сторон которой исчисляются миллиметрами. На площади одноцентовой монетки может разместиться несколько десятков таких чипов, а при условиях массового промышленного производства стоимость каждого чипа не будет превышать нескольких центов.

Самой отличительной чертой нового радио-чипа является то, что ему для работы не требуется батарея или другой источник энергии. Потребности чипа в энергии крайне скромны и он может работать, поглощая энергию радиоволн от близлежащих их источников, таких, как устройства дистанционного считывания информации, мобильные телефоны, точки доступа беспроводных сетей и т.п. Приемопередатчик чипа работает на частотах от 24 до 60 ГГц, а его мощность позволяет поддерживать надежную радиосвязь на дистанции до нескольких десятков сантиметров.

Подобные принципы получения энергии от внешнего источника используют чипы радиочастотной идентификации RFID, бесконтактные смарт-карты и другие подобные устройства. Но у стэнфордского радио-чипа есть более широкие возможности, нежели простая передача данных, записанных в энергонезависимую память устройства. Чип обладает вычислительным узлом небольшой мощности, который может, к примеру, опросить подключенный к нему датчик и передать полученную информацию только тогда, когда это требуется.

Инженеры и ученые-футурологи прогнозируют, что в недалеком будущем настанет тот день, когда триллионы различных устройств будут связываться с Интернетом при помощи подобных крошечных радио-чипов. Данные, собираемые и передаваемые такими устройствами, позволят реализовать интеллектуальные системы управления, способные сделать более "умными" и более энергосберегающими наши дома, автомобили, офисы и производственные помещения.