Jak naukowcy sprawili, że półprzewodniki stały się nadprzewodnikami

Ograniczenia nadprzewodnictwa

Elektryczność jest jedną z najbardziej transformacyjnych technologii w historii, umożliwiającą przesyłanie bardzo użytecznej formy energii na duże odległości. Jednak każdy „normalny” system elektryczny napotyka opór elektryczny, który powoduje generowanie ciepła, gdy prąd elektryczny jest stosowany.

Istnieje alternatywa: materiały nadprzewodzące. Materiały nadprzewodzące mają zerowy opór elektryczny, co pozwala na przepływ niezwykle silnych prądów bez generowania ciepła.

Bez nadprzewodnictwa nie byłoby możliwe powstanie wielu nowoczesnych technologii, w tym akceleratorów cząstek (na przykład CERN), MRI i pociągi maglev.

Nadprzewodnictwo będzie kluczowym elementem najbardziej obiecujących megaprojektów i innowacji technologicznych, takich jak ITER oraz synteza jądrowa, kierowcy masowi, komputery kwantowe, itp.

Linie elektroenergetyczne o zerowych stratach mogą mieć również kluczowe znaczenie dla rozwoju bardzo długich połączeń sieciowych, pomagając w buforowaniu produkcji energii odnawialnej w zależności od warunków pogodowych i stref czasowych, rozwiązując tym samym niektóre ograniczenia energii słonecznej i wiatrowej.

Jednakże nadprzewodnictwo zostało dotychczas opanowane tylko w przypadku materiałów wykazujących je w ultraniskich temperaturach, zaledwie kilka stopni powyżej zera absolutnego. Lub ekstremalnie wysokim ciśnieniu. Albo obu.

To sprawia, że ​​technologia ta jest nie tylko zbyt skomplikowana dla nawet najbardziej wymagających zastosowań (napęd magnetyczny, rezonans magnetyczny itp.), ale także bardzo kosztowna, przez co nieopłacalna w przypadku wielu zastosowań, w których materiały nadprzewodzące mogłyby okazać się przydatne na dużą skalę.

Wiele ścieżek do nadprzewodnictwa

Obecnie wydaje się, że materiał wytwarzany pod wysokim ciśnieniem może zachować część swojej nadprzewodności przy niższym ciśnieniu za pomocą metody eksperymentalnej zwanej protokołem chłodzenia pod ciśnieniem (PQP).

Ostatnio, skręcona dwuwarstwa WSe₂ (wolfram selen) okazał się dobrym materiałem do wykorzystania w nadprzewodnikach wysokotemperaturowych.

Kolejna nowa klasa potencjalnych nadprzewodników, dwuwarstwowe niklany, mogły zostać dodane do listy w tym roku.

Mimo wszystko wszystkie te materiały są stosunkowo nowe i egzotyczne, a zatem wciąż jest jeszcze daleka droga do ich masowej produkcji i wdrożenia na szeroką skalę.

To może się zmienić dzięki odkryciu, że półprzewodniki na bazie germanu można przekształcić w nadprzewodniki. Badania te przeprowadzili naukowcy z University of Queensland (Australia), New York University, ETH Zürich (Szwajcaria) i Ohio State University, którzy opublikowali swoje wyniki w czasopiśmie Nature Nanotechnology.¹, pod tytułem "Nadprzewodnictwo w cienkich warstwach epitaksjalnych substytucyjnego Ga-hiperdomieszkowanego Ge".

Od półprzewodników do nadprzewodników

Półprzewodniki germanowe

German i krzem to tak zwane pierwiastki grupy IV o strukturze krystalicznej przypominającej diament. Ta struktura krystaliczna sprawia, że ​​zachowują się jak coś pomiędzy metalem (przewodzącym prąd elektryczny) a izolatorem (nieprzewodzącym), co czyni je przydatnymi do produkcji półprzewodników.

Produkcja półprzewodników germanowych jest już dobrze poznana i stosowana na dużą skalę w różnych urządzeniach elektronicznych i optycznych. To było naprawdę jeden z pierwszych materiałów używanych do diod i tranzystorówi został zastąpiony krzemem tylko ze względu na niższe koszty i doskonałą stabilność termiczną.

Obecnie german, który jest niezbędny w elektronice i optyce podczerwonej, w tym w czujnikach w pociskach rakietowych i satelitach obronnych, pozyskuje się głównie z kopalni cynku i molibdenu.

Aby wytworzyć nadprzewodnictwo, elektrony muszą się sparować, co umożliwi im przemieszczanie się przez materiał bez stawiania oporu.

Już w 2023 roku w warstwach germanowych odkryto fazę nadprzewodzącą, praca przeprowadzona przez naukowców odpowiedzialnych za to najnowsze odkrycie, polegające na domieszkowaniu materiału galowego germanem.

Źródło: ResearchGATE

„Działa to dlatego, że pierwiastki grupy IV nie wykazują naturalnej nadprzewodności w normalnych warunkach, ale modyfikacja ich struktury krystalicznej umożliwia tworzenie par elektronowych umożliwiających nadprzewodnictwo”.

Javad Shabani – dyrektor Centrum Fizyki Informacji Kwantowej Uniwersytetu Nowojorskiego.

Potencjał skalowania

Chociaż wcześniejsze próby wytworzenia nadprzewodzących właściwości w półprzewodnikach, np. germanie i krzemie, potwierdziły słuszność tej koncepcji, to jednak trudno było ją zrealizować na dużą skalę.

Głównym problemem było utrzymanie struktury atomowej z odpowiednimi właściwościami przewodzącymi. Zazwyczaj wysoki poziom galu destabilizuje kryształ, zapobiegając nadprzewodnictwu.

Mimo wszystko jest to obiecująca koncepcja, gdyż technologia produkcji półprzewodników germanowych jest bardzo dobrze poznana i istnieje wiele gotowych do użycia urządzeń.

„German jest już materiałem roboczym w zaawansowanych technologiach półprzewodnikowych, a wykazanie, że może stać się nadprzewodnikiem w kontrolowanych warunkach wzrostu, stwarza teraz potencjał do produkcji skalowalnych urządzeń kwantowych gotowych do produkcji w odlewniach”.

Dr Peter Jacobson – badacz na Uniwersytecie Queensland

Nowa metoda produkcji

Większość metod domieszkowania próbuje wprowadzić jony do materiału, ale prowadzi to do raczej nieregularnych rezultatów. Chociaż może to wystarczyć do poprawy wydajności półprzewodnika, jest to zbyt mało precyzyjne, aby wywołać nadprzewodnictwo.

Zamiast tego naukowcy zastosowali technikę zwaną epitaksja z wiązek molekularnych (MBE). Kieruje wiązki źródeł atomowych lub molekularnych na rozgrzane podłoże w środowisku ultrawysokiej próżni (UHV).

Źródło: WyjaśnijToRzeczy

Dzięki temu można precyzyjnie kontrolować skład, grubość i domieszkowanie rosnącej warstwy.

Zamiast implantacji jonów zastosowano epitaksję z wiązek molekularnych (MBE) w celu precyzyjnego włączenia atomów galu do sieci krystalicznej germanu.

Dzięki zastosowaniu epitaksji – czyli tworzeniu cienkich warstw krystalicznych – możemy wreszcie osiągnąć precyzję strukturalną niezbędną do zrozumienia i kontrolowania sposobu, w jaki w tych materiałach pojawia się nadprzewodnictwo”.

Dr Julian Steele – badacz na Uniwersytecie Queensland

Naukowcy odkryli, że wykorzystując absorpcję promieni rentgenowskich opartą na synchrotronie, domieszki galu są włączane do sieci krystalicznej germanu, wprowadzając zniekształcenie tetragonalne do komórki elementarnej kryształu.

Źródło: Natura Nanotechnologia

To uporządkowanie strukturalne tworzy wąskie pasmo elektronowe umożliwiające pojawienie się nadprzewodnictwa w Ge.

Źródło: Natura Nanotechnologia

Co ważniejsze, metodę tę można stosować na poziomie płytek krzemowych, czyli tak samo, jak przy masowej produkcji układów scalonych.

Źródło: WaferWorld

„Ta praca teoretyczna potwierdziła, że ​​atomy galu wbudowują się idealnie w sieć germanu, tworząc warunki elektronowe sprzyjające nadprzewodnictwu.

„To elegancki przykład tego, jak połączenie obliczeń i eksperymentów może rozwiązać problem, który stanowi wyzwanie dla nauki o materiałach od ponad pół wieku”.

Dr Carla Verdi – badaczka na Uniwersytecie Queensland

Zastosowania

Nadprzewodnictwo uzyskiwane tą metodą nie jest nadprzewodnictwem występującym w temperaturze pokojowej, gdyż wymaga temperatur wynoszących zaledwie 3.5°K (-269°C / -453°F), co jest zjawiskiem wciąż nieuchwytnym dla nauki o materiałach.

Mimo to łatwość jego produkcji przy użyciu powszechnie stosowanych maszyn stosowanych w przemyśle półprzewodnikowym może radykalnie zmienić sposób wytwarzania układów nadprzewodzących.

To z kolei mogłoby radykalnie zmienić sposób produkcji materiałów do komputerów kwantowych. Najprawdopodobniej, zamiast drogiego materiału nadprzewodzącego, przyszły komputer kwantowy mógłby po prostu wykorzystywać „zwykłą” płytkę półprzewodnikową galowo-germanową, nadprzewodzącą w określonych miejscach układu.

„Materiały te otwierają drogę do nowej ery hybrydowych urządzeń kwantowych i mogą stać się podstawą przyszłych obwodów kwantowych, czujników i niskonapięciowej elektroniki kriogenicznej, z których wszystkie wymagają czystych interfejsów między obszarami nadprzewodzącymi i półprzewodzącymi”.

Dr Peter Jacobson – badacz na Uniwersytecie Queensland

Przesuń, aby przewijać →

Inwestowanie w produkcję półprzewodników

TSMC

Produkcja półprzewodników to branża, w której dominuje połączenie specjalistycznej wiedzy specjalistycznej i konieczności masowej produkcji w celu obniżenia kosztów.

Żadnej firmie nie udało się tak skutecznie wdrożyć tego modelu biznesowego jak TSMC — tajwańska firma będąca światowym liderem w produkcji ultra-zaawansowanych układów scalonych.

TSMC produkuje oczywiście głównie układy scalone na bazie krzemu, w tym najwydajniejsze układy scalone w technologii 3 i 2 nm. A ponieważ produkuje głównie najbardziej zaawansowane i najdroższe układy, kontroluje ponad połowę globalnych przychodów branży odlewniczej półprzewodników.

Źródło: Eric Flaningam

TSMC obecnie rozwija się i rozpoczyna produkcję układów scalonych w USA, w szczególności dzięki ogromnej inwestycji w nowe odlewnie w Arizonie.

Jednak TSMC jest również ekspertem w dziedzinie zaawansowanych tranzystorów germanowych i innych półprzewodników.

Podczas gdy firma generuje obecnie zyski głównie dzięki zaawansowanym układom scalonym i produkcji sprzętu AI dla firm takich jak Nvidia (NVDA ), może to być również jeden z głównych beneficjentów odkrycia, jakie można osiągnąć dzięki zastosowaniu powszechnych metod produkcji półprzewodników.

Najnowsze wiadomości i wydarzenia dotyczące akcji TSMC (TSM)

Badania, do których się odniesiono:

^{1. Steele, JA, Strohbeen, PJ, Verdi, C. i in. Nadprzewodnictwo w epitaksjalnych cienkich warstwach substytucyjnego Ga-hiperdomieszkowanego Ge. Nat. Nanotechnologia. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}