Miten tiedemiehet tekivät puolijohteita suprajohtaviksi

Suprajohtavuuden rajoitukset

Sähkö on ollut yksi historian muuttavimmista teknologioista, mikä mahdollistaa erittäin hyödyllisen energian siirron pitkiä matkoja. Mutta jokainen "normaali" sähköjärjestelmä kohtaa sähkövastuksen, mikä johtaa lämmön muodostumiseen, kun sähkövirtaa käytetään.

Vaihtoehto on olemassa: suprajohtavat materiaalit. Suprajohtavilla materiaaleilla ei ole sähköistä vastusta, joten ne voivat kulkea erittäin voimakkaiden virtojen kautta ilman lämmöntuotantoa.

Ilman suprajohtavuutta suuri osa nykyteknologiasta ei olisi mahdollista, mukaan lukien hiukkaskiihdyttimet (esimerkiksi CERN), MRI ja maglev-junat.

Suprajohtavuus tulee olemaan tärkeä osa lupaavimpia megaprojekteja ja teknologisia innovaatioita, kuten ITER ja ydinfuusio, massakuljettajat, kvantitietokoneet, Jne

Nollahäviöiset sähkölinjat voisivat myös olla ratkaisevan tärkeitä erittäin pitkien verkkoyhteyksien kehittämisessä, sillä ne voisivat auttaa puskuroimaan uusiutuvien energialähteiden tuotantoa sääolosuhteiden ja aikavyöhykkeiden yli ja ratkaista joitakin aurinko- ja tuulivoiman rajoituksia.

Suprajohtavuus on kuitenkin toistaiseksi hallittu vain materiaaleille, jotka osoittavat sen erittäin alhaisissa lämpötiloissa, tuskin muutaman asteen absoluuttisen nollan yläpuolella. Tai erittäin korkea paine. Tai molemmat.

Tämä tekee siitä paitsi liian monimutkaisen kaikille, paitsi vaativimmillekin sovelluksille (maglev, MRI jne.), myös erittäin kalliin, mikä tekee siitä epätaloudellisen monille sovelluksille, jotka voisivat hyötyä suprajohtavista materiaaleista laajamittaisessa käytössä.

Monia polkuja suprajohtavuuteen

Nyt näyttää siltä, ​​että korkeassa paineessa tuotettu materiaali saattaa säilyttää osan suprajohtavuudestaan ​​alemmassa paineessa. kokeellisella menetelmällä, jota kutsutaan paineen sammutusprotokollaksi (PQP).

Viime aikoina kierretty kaksoiskerros WSe₂ (volframi seleeni) näytti olevan hyvä materiaaliehdokas myös korkeamman lämpötilan suprajohtimille.

Toinen uusi potentiaalisten suprajohteiden luokka, kaksikerroksiset nikkelaatit, olisi voitu lisätä listalle tänäkin vuonna.

Kaikki nämä materiaalit ovat kuitenkin suhteellisen uusia ja eksoottisia, mikä tekee niistä melko kaukana massatuotannosta ja laajamittaisesta käyttöönotosta.

Tämä voi muuttua, koska germaniumpohjaisista puolijohteista on löydetty suprajohteita. Tutkimuksen tekivät Queenslandin yliopiston (Australia), New Yorkin yliopiston, ETH Zürichin (Sveitsi) ja Ohion osavaltionyliopiston tutkijat, jotka julkaisivat löydöksensä Nature Nanotechnology -lehdessä.¹, otsikon alla "Suprajohtavuus substituutiossa käytetyissä Ga-hyperdopatuissa Ge-epitaksiaalisissa ohutkalvoissa".

Puolijohteista suprajohteiksi

Germanium-puolijohteet

Germanium ja pii ovat molemmat niin sanottuja IV ryhmän alkuaineita, joilla on timantin kaltainen kiderakenne. Tämä kiteinen rakenne saa ne käyttäytymään metallin (sähköä johtava) ja eristeen (ei-johtava) väliltä, ​​mikä tekee niistä hyödyllisiä puolijohteiden valmistuksessa.

Germaniumpuolijohteiden tuotanto on jo hyvin ymmärrettyä ja sitä tehdään laajamittaisesti erilaisissa elektronisissa ja optisissa laitteissa. Se oli itse asiassa yksi ensimmäisistä diodien ja transistorien materiaaleista, ja se korvattiin piillä vain sen alhaisempien kustannusten ja ylivoimainen lämpöstabiilisuus.

Nykyään germaniumia, joka on ratkaisevan tärkeää elektroniikalle ja infrapunaoptiikalle, mukaan lukien ohjusten ja puolustussatelliittien anturit, tuotetaan enimmäkseen sinkki- ja molybdeenikaivoksista.

Suprajohtavuuden luomiseksi tarvitset elektroneja, jotka muodostavat parin ja antavat niiden liikkua materiaalin läpi ilman vastusta.

Jo vuonna 2023 germaniumkalvoista löydettiin suprajohtava faasi., tämän viimeisimmän löydön tehneiden tutkijoiden tekemä työ, jossa galliummateriaalia seostettiin germaniumilla.

Lähde: ResearchGate

"Tämä toimii, koska ryhmän IV alkuaineet eivät luonnostaan ​​​​johda suprajohtavasti normaaleissa olosuhteissa, mutta niiden kiderakenteen muokkaaminen mahdollistaa suprajohtavuutta mahdollistavien elektroniparien muodostumisen."

Javad Shabani – NYU:n kvantti-informaatiofysiikan keskuksen johtaja.

Skaalauspotentiaali

Vaikka aiemmat yritykset luoda suprajohtavaa käyttäytymistä puolijohteissa, kuten germaniumissa ja piissä, osoittivat konseptin toimivuuden, heillä oli vaikeuksia rakentaa sitä mittakaavassa.

Pääasialliset kysymykset olivat atomirakenteen ylläpitäminen asianmukaisilla johtavuusominaisuuksilla. Normaalisti korkeat galliumpitoisuudet destabiloivat kiteen estäen suprajohtavuuden.

Silti tämä on lupaava idea, sillä germaniumpuolijohteiden valmistus on erittäin hyvin tunnettu teknologia, ja käyttövalmiita laitteita on runsaasti.

”Germanium on jo työjuhtamateriaali edistyneille puolijohdeteknologioille, joten osoittamalla, että se voi muuttua myös suprajohtavaksi kontrolloiduissa kasvuolosuhteissa, on nyt potentiaalia skaalautuville, valimovalmiille kvanttilaitteille.”

Tohtori Peter Jacobson – tutkija Queenslandin yliopistossa

Uusi tuotantomenetelmä

Useimmat dopingmenetelmät yrittävät liittää ioneja materiaaliin, mutta johtavat melko epäsäännöllisiin tuloksiin. Vaikka tämä voi riittää parantamaan puolijohteiden suorituskykyä, se on liian epätarkkaa suprajohtavuuden aikaansaamiseksi.

Sen sijaan tutkijat käyttivät tekniikkaa, jota kutsutaan molekyylisuihkuepitaksian (MBE)Se ohjaa atomi- tai molekyylilähteiden säteitä lämmitetylle alustalle erittäin korkeavakuumiympäristössä (UHV).

Lähde: SelitäSeTavara

Tämä antaa tarkan hallinnan kasvavan kalvon koostumukseen, paksuuteen ja seostukseen.

Ioni-istutuksen sijaan galliumatomit saatiin tarkasti sisällytettyä germaniumin kidehilaan molekyylisuihkuepitaksiaa (MBE) käyttäen.

Epitaksian – ohuiden kidekerrosten kasvattamisen – avulla voimme vihdoin saavuttaa rakenteellisen tarkkuuden, jota tarvitaan suprajohtavuuden syntymisen ymmärtämiseen ja hallintaan näissä materiaaleissa.

Tohtori Julian Steele – tutkija Queenslandin yliopistossa

Synkrotronipohjaista röntgenabsorptiota käytettäessä tutkijat havaitsivat, että galliumin lisäaineita on sisällytetty germaniumhilaan, mikä aiheuttaa tetragonaalisen vääristymän kideyksikkösoluun.

Lähde: Luonnon nanoteknologia

Tämä rakenteellinen järjestys luo kapean elektronikaistan suprajohtavuuden syntymiselle Ge:ssä.

Lähde: Luonnon nanoteknologia

Vielä tärkeämpää on, että tämä menetelmä voi toimia kiekkotasolla, samoilla menetelmillä, joita käytetään elektroniikkasirujen massatuotantoon.

Lähde: WaferWorld

”Tämä teoreettinen työ vahvisti, että galliumatomit asettuvat siististi germaniumhilaan ja luovat suprajohtavuudelle otolliset elektroniset olosuhteet.”

Se on elegantti esimerkki siitä, miten laskenta ja kokeilu yhdessä voivat ratkaista ongelman, joka on haastanut materiaalitiedettä yli puoli vuosisataa.

Tohtori Carla Verdi – tutkija Queenslandin yliopistossa

Sovellukset

Tämän menetelmän luoma suprajohtavuus ei ole huoneenlämmössä saavutettavaa suprajohtavuutta, koska se vaatii jopa 3.5 K:n (-269 °C / -453 °F) lämpötilan, mikä on ilmiö, jota materiaalitiede ei vielä tunne.

Silti sen tuotannon helppous, jossa käytetään puolijohdeteollisuuden käyttämiä vakiintuneita koneita, voisi muuttaa radikaalisti suprajohtavien sirujen valmistustapaa.

Tämä puolestaan ​​voisi muuttaa radikaalisti kvanttitietokoneiden materiaalien tuotantotapaa. Todennäköisimmin tulevaisuuden kvanttitietokone voisi kalliiden suprajohtavien materiaalien sijaan käyttää vain "normaalia" gallium-germanium-puolijohdekiekkoa, joka on muutettu suprajohtavaksi tietyistä sirun kohdista.

”Nämä materiaalit avaavat polun hybridikvanttilaitteiden uudelle aikakaudelle ja voisivat olla tulevaisuuden kvanttipiirien, sensoreiden ja pienitehoisen kryogeenisen elektroniikan perusta, jotka kaikki tarvitsevat puhtaita rajapintoja suprajohtavien ja puolijohtavien alueiden välillä.”

Tohtori Peter Jacobson – tutkija Queenslandin yliopistossa

Pyyhkäise vierittääksesi →

Puolijohdevalmistukseen investoiminen

TSMC

Puolijohteiden tuotanto on teollisuudenala, jota hallitsevat erittäin kapea-alainen ja monimutkainen asiantuntemus sekä tarve massatuottaa mittakaavassa kustannusten alentamiseksi.

Yksikään yritys ei ole onnistunut hallitsemaan tätä liiketoimintamallia yhtä hyvin kuin TSMC, taiwanilainen yritys, joka on maailman johtava ultra-edistyneiden sirujen valmistaja.

TSMC tuottaa luonnollisesti enimmäkseen piisiruja, mukaan lukien tehokkaimmat 3 ja 2 nm:n solmusirut. Ja koska se tuottaa enimmäkseen edistyneimpiä ja kalleimpia siruja, se hallitsee yli puolta puolijohdeteollisuuden maailmanlaajuisista tuloista.

Lähde: Eric Flaningam

TSMC on tänään aloittamassa piisirujen tuotannon Yhdysvalloissa. erityisesti massiivisilla investoinneilla uusiin Arizonan valimoihinsa.

TSMC on kuitenkin myös asiantuntija edistyneissä germaniumpohjaisissa transistoreissa ja muissa puolijohteissa.

Vaikka yritys saa nykyisen voittonsa pääasiassa edistyneistä siruista ja tekoälylaitteiston valmistuksesta esimerkiksi Nvidialle (NVDA ), se voisi myös olla yksi yleisten puolijohteiden valmistusmenetelmien tuottaman löydön tärkeimmistä hyötyjistä.

Viimeisimmät TSMC:n (TSM) osakeuutiset ja kehityskulut

Viitattu tutkimus:

^{1. Steele, JA, Strohbeen, PJ, Verdi, C. et ai. Suprajohtavuus substituutiossa käytetyissä Ga-hyperdopatuissa Ge-epitaksiaalisissa ohutkalvoissa. Nat. Nanotekniikka. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}