Як вчені створили напівпровідники, що є надпровідними

Обмеження надпровідності

Електроенергія була однією з найбільш трансформуючих технологій в історії, яка дозволяла передавати дуже корисну форму енергії на великі відстані. Але кожна «нормальна» електрична система стикається з електричним опором, що призводить до утворення тепла під час застосування електричного струму.

Існує альтернатива: надпровідні матеріали. Надпровідні матеріали мають нульовий електричний опір, що дозволяє протікати надзвичайно потужним струмам без виділення тепла.

Без надпровідності багато сучасних технологій були б неможливими, включаючи прискорювачі частинок (наприклад CERN), МРТ і maglev поїздів.

Надпровідність стане вирішальним компонентом найперспективніших мегапроектів і технологічних інновацій, таких як ІТЕР та  ядерний синтез, масові водії, квантові комп'ютери, І т.д.

Лінії електропередач з нульовими втратами також можуть бути вирішальними для розвитку наддовгих мережевих з'єднань, допомагаючи буферизувати виробництво відновлюваних джерел енергії залежно від погодних умов та часових поясів, вирішуючи деякі обмеження сонячної та вітрової енергетики.

Однак надпровідність поки що була освоєна лише для матеріалів, які демонструють її при наднизьких температурах, ледве на кілька градусів вище абсолютного нуля. Або надзвичайно високий тиск. Або обидва.

Це робить його не тільки занадто складним для будь-яких, окрім найвимогливіших застосувань (маглевація, МРТ тощо), а й дуже дорогим, що робить його неекономічним для багатьох застосувань, які могли б отримати користь від надпровідних матеріалів для будь-якого великомасштабного використання.

Багато шляхів до надпровідності

Зараз здається, що матеріал, отриманий під високим тиском, може зберігати частину своєї надпровідності за нижчого тиску. за допомогою експериментального методу під назвою протокол гасіння тиску (PQP).

В останній час скручений бішар WSe₂ (вольфрамовий селен) також виявився хорошим кандидатом на створення високотемпературних надпровідників.

Ще один новий клас потенційних надпровідників, двошарові нікелати, можливо, також були додані до списку цього року.

Однак усі ці матеріали є відносно новими та екзотичними, що робить їх досить далекими від масового виробництва та впровадження у великих масштабах.

Це може змінитися завдяки відкриттю того, що напівпровідники на основі германію можна перетворити на надпровідники. Це дослідження було проведене вченими з Університету Квінсленда (Австралія), Нью-Йоркського університету, ETH Zürich (Швейцарія) та Університету штату Огайо, які опублікували свої висновки в Nature Nanotechnology.¹, під назвою «Надпровідність у замісних гіперлегованих Ga епітаксіальних тонких плівках Ge".

Від напівпровідників до надпровідників

Германієві напівпровідники

Германій і кремній – це так звані елементи IV групи з кристалічними структурами, подібними до алмазів. Ця кристалічна структура робить їх чимось середнім між металом (провідником електрики) та ізолятором (непровідником), що робить їх корисними для виробництва напівпровідників.

Виробництво германієвих напівпровідників вже добре вивчене та здійснюється у великих масштабах для різних електронних та оптичних пристроїв. Це було насправді один з перших матеріалів, що використовувалися для діодів і транзисторіві був замінений кремнієм лише завдяки його нижчій вартості та чудова термічна стабільність.

Сьогодні германій, який має вирішальне значення для електроніки та інфрачервоної оптики, включаючи датчики на ракетах та оборонних супутниках, здебільшого виробляється з цинкових та молібденових шахт.

Щоб створити надпровідність, потрібно, щоб електрони об'єднувалися в пари, дозволяючи їм рухатися крізь матеріал без опору.

Вже у 2023 році в плівках германію було виявлено надпровідну фазу, робота, проведена дослідниками, відповідальними за це останнє відкриття, легування галієвого матеріалу германієм.

джерело: ResearchGate

«Це працює, тому що елементи IV групи не є природними надпровідниками за нормальних умов, але модифікація їхньої кристалічної структури дозволяє утворювати електронні пари, які забезпечують надпровідність».

Джавад Шабані – директор Центру квантової інформаційної фізики Нью-Йоркського університету.

Потенціал масштабування

Хоча попередні спроби створити надпровідну поведінку в напівпровідниках, таких як германій та кремній, довели цю концепцію, їм було важко реалізувати її у великих масштабах.

Основними проблемами було збереження атомної структури з відповідними властивостями провідності. Зазвичай високий рівень галію дестабілізує кристал, запобігаючи надпровідності.

Тим не менш, це перспективна ідея, оскільки виробництво германієвих напівпровідників — це дуже добре вивчена технологія, з великою кількістю обладнання, готового до використання.

«Германій вже є робочим матеріалом для передових напівпровідникових технологій, тому, демонструючи, що він також може стати надпровідним за контрольованих умов вирощування, тепер існує потенціал для масштабованих квантових пристроїв, готових до використання в ливарному виробництві».

Д-р Пітер Джейкобсон – дослідник Університету Квінсленда

Новий метод виробництва

Більшість методів легування спрямовані на впровадження іонів у матеріал, але призводять до досить нерівномірних результатів. Хоча цього може бути достатньо для покращення характеристик напівпровідника, це занадто неточно, щоб викликати надпровідність.

Замість цього дослідники використали метод під назвою молекулярно-променева епітаксія (MBE)Це спрямовує пучки атомних або молекулярних джерел на нагріту підкладку в середовищі надвисокого вакууму (UHV).

джерело: ПояснітьЦеРеч

Це забезпечує точний контроль над складом, товщиною та легуванням зростаючої плівки.

«Замість іонної імплантації, для точного включення атомів галію в кристалічну решітку германію була використана молекулярно-променева епітаксія (MBE).»

Використання епітаксії – вирощування тонких кристалічних шарів – означає, що ми нарешті можемо досягти структурної точності, необхідної для розуміння та контролю того, як виникає надпровідність у цих матеріалах».

Д-р Джуліан Стіл – дослідник Університету Квінсленда

Використовуючи рентгенівське поглинання на основі синхротрона, дослідники виявили, що легуючі домішки галію включені в решітку германію, вносячи тетрагональне спотворення в елементарну комірку кристала.

джерело: Природа нанотехнології

Такий структурний порядок створює вузьку електронну зону для виникнення надпровідності в Ge.

джерело: Природа нанотехнології

Що ще важливіше, цей метод може працювати на рівні пластини, тих самих методів, що використовуються для масового виробництва електронних чіпів.

джерело: Вафльний світ

«Ця теоретична робота підтвердила, що атоми галію акуратно заміщуються в ґратці германію, створюючи електронні умови для надпровідності».

Це елегантний приклад того, як обчислення та експеримент разом можуть вирішити проблему, яка кидала виклик матеріалознавству понад півстоліття.

Д-р Карла Верді – дослідниця в Університеті Квінсленда

додатків

Надпровідність, яку створює цей метод, не є надпровідністю кімнатної температури, оскільки вона вимагає температур до 3.5°K (-269°C / -453°F), явище, яке досі залишається невідомим матеріалознавству.

Однак, легкість його виробництва з використанням добре зарекомендуваного обладнання, що використовується в напівпровідниковій промисловості, може радикально змінити спосіб виготовлення надпровідних чіпів.

У свою чергу, це може радикально змінити спосіб виробництва матеріалів для квантових комп'ютерів. Найімовірніше, замість дорогого надпровідного матеріалу, майбутній квантовий комп'ютер може використовувати просто «звичайну» напівпровідникову пластину галію-германію, яка стала надпровідною в певних місцях чіпа.

«Ці матеріали відкривають шлях для нової ери гібридних квантових пристроїв і можуть бути основою майбутніх квантових схем, датчиків та кріогенної електроніки з низьким енергоспоживанням, всім з яких потрібні чисті інтерфейси між надпровідними та напівпровідниковими областями».

Д-р Пітер Джейкобсон – дослідник Університету Квінсленда

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Інвестування у виробництво напівпровідників

TSMC

Виробництво напівпровідників – це галузь, де домінує поєднання дуже нішевої та складної експертизи, а також необхідності масового виробництва у великих масштабах для зниження витрат.

Жодна компанія не досягла такого успіху в освоєнні цієї бізнес-моделі, як TSMC, тайванська компанія, яка є світовим лідером у виробництві надсучасних чіпів.

Звичайно, TSMC виробляє переважно кремнієві чіпи, включаючи найпотужніші 3- та 2-нм вузлові чіпи. А оскільки вона виробляє переважно найсучасніші та найдорожчі чіпи, вона контролює понад половину світових доходів напівпровідникової ливарної промисловості.

джерело: Ерік Фланінгем

TSMC сьогодні працює над тим, щоб розпочати виробництво кремнієвих чіпів у США, зокрема, завдяки масштабним інвестиціям у свої нові ливарні заводи в Аризоні.

Тим не менш, TSMC також є експертом у виробництві передових транзисторів на основі германію та інших напівпровідників.

Тож, хоча компанія здебільшого отримує свій поточний прибуток від передових чіпів та виробництва апаратного забезпечення штучного інтелекту для таких компаній, як Nvidia (NVDA ), це також може бути одним із головних бенефіціарів відкриття, яке можуть дати поширені методи виробництва напівпровідників.

Останні новини та події щодо акцій TSMC (TSM)

Посилання на дослідження:

^{1. Стіл, Дж. А., Штробін, П. Дж., Верді, Ч. та інші Надпровідність у замісних гіперлегованих Ga епітаксіальних тонких плівках Ge. Нат. Нанотехнол. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}