Dvourozměrný materiál může částečně nahradit křemík v elektronice
30. 03. 2022
Křemík najdeme v telefonech, počítačích a jakékoli další elektronice. Je totiž základním materiálem pro výrobu polovodičů, ze kterých se vyrábějí jejich komponenty. Tento po desetiletí používaný prvek však dosáhl svých limitů. Vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR popsali vlastnosti jodidu chromitého, materiálu, který by mohl roli křemíku částečně zastoupit. Významnou studii publikoval odborný časopis Physical Review B.
Elektronika prochází neustálým procesem miniaturizace. Jenže její základní součástky nemohou být kvůli fyzikálním vlastnostem křemíku o mnoho menší. Naděje odborníků se upínají k pokročilým 2D materiálům.
Struktura dvourozměrných materiálů připomíná pravidelnou síť o tloušťce jediného atomu. Ačkoli se předpokládá, že existují stovky takových jednovrstvých materiálů, jejich vlastnosti nejsou dostatečně prozkoumané. První z nich, grafen, totiž vědci objevili teprve před patnácti lety. „Existuje jich celá rodina. Kromě grafenu, což je polokov, zahrnuje také izolanty, polovodiče, supravodiče, nebo magnety,“ popisuje jejich specifické vlastnosti Martin Kalbáč z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.
Grafické znázornění struktury typického 2D materiálu s tloušťkou jeden atom.
Martin Kalbáč se s kolegy ve svém bádání zaměřili na jodid chromitý, materiál s chemickým vzorcem CrI3. Jeho strukturu tvoří jediná vrstva atomů chrómu a jódu s tloušťkou přibližně jednoho nanometru. Experimenty měly za cíl poodhalit, jak se bude materiál chovat v různých tlakových a teplotních podmínkách. „Krystal jsme podrobili vysokému tlaku, 20 gigapascalů a více, a změny magnetického stavu jsme sledovali spektrometrem,“ vysvětluje postup experimentu Haider Golam z téhož ústavu.
Nové a nečekané vlastnosti
Tým zjistil, že při tlaku do 22 gigapascalů se materiál chová jako takzvaný feromagnet. Prochází spontánní magnetizací, kdy se spiny všech jeho elektronů zorientují do jednoho směru. Naopak při tlaku vyšším, nad 30 gigapascalů, začne vykazovat vlastnosti antiferomanetu. Při něm se spiny uspořádají protichůdně a materiál nevykazuje téměř žádný vnější magnetismus.
Odborníky ale zajímaly vlastnosti krystalu poté, co ho vystavili nízké teplotě. Mezi zmíněnými 22–30 gigapascaly se jodid chromitý začal chovat jako takzvané spinové sklo. „Spiny elektronů zde mohou zaujmout mnoho různých uspořádání, nejsou periodicky uspořádané jako v běžných magnetech,“ doplňuje Jana Kalbáčová Vejpravová z Univerzity Karlovy. Název spinové sklo pramení z toho, že svým atomárním uspořádáním připomíná strukturu křemíku a kyslíku ve skle.
Martin Kalbáč z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR
Rychlejší záznam a více dat
Tato vlastnost se obzvlášť hodí pro výrobu záznamových zařízení, například pamětí. „Magnetické ukládání dat je jedním z klasických způsobů, jak zachovávat informace,“ popisuje Martin Kalbáč a dodává, že magnetismus je v principu způsobený právě spinem elektronů v atomech.
Na magnetické disky se data ukládají tak, že se při záznamu vytvoří stabilní orientace jednoho pólu. Ta určuje binární informaci (1 nebo 0), kterou je možné později přečíst. „Očekává se, že velkou výhodou budoucí elektroniky vyrobené z materiálů jako je jodid chromitý bude odolnost vůči vnějšímu rušení a šumu.“
Podobné technologie jsou jednou z nadějných cest, jak zvýšit kapacitu pamětí a snížit jejich velikost. Protože má 2D materiál na šířku pouhý atom, součástka může mít více prostoru pro záznam. Nicméně podle Martina Kalbáče se elektronika své závislosti na křemíku touto cestou hned tak nezbaví. „Vhodná kombinace 2D materiálů však může poskytnout jedinečné možnosti pro návrh zařízení, která budou mít lepší vlastnosti než ta, která jsou postavená zcela na bázi křemíku.“
Více jsme o dvourozměrných materiálech psali zde:
Grafen a polyanilin ve 2D jako cesta k superkondenzátorům pro elektromobilitu
Vědci umí díky unikátnímu spojení dvou metod zjistit vady grafenu
Akademický bulletin: Dvojrozměrné materiály budoucnosti
Fyzikální ústav AV ČR: 2D materiály aneb grafen a jak to bylo dál
Text: Jan Hanáček, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock; Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR
Přečtěte si také
- Krotitelé molekul: vědci objevili, jak zvýšit kapacitu molekulárních čipů
- Od vynálezu k praxi. Firma vyzkouší metodu jednodušší výroby metanolu
- Badatelé představili 3D materiály pro rekonstrukční a plastickou chirurgii
- Proč se Země a Venuše vyvinuly odlišně? Napoví mise, jíž se účastní i Češi
- Nová zobrazovací metoda pomůže rychleji identifikovat například rakovinné tkáně
- AMULET se zaměří na vývoj multiškálových materiálů, získal téměř půl miliardy
- Počítačový model ucha: čeští vědci vyvinuli unikátní nástroj ke zkoumání sluchu
- Čeští vědci odhalili π-díru v molekulách, potvrdili tak dekády známou teorii
- Česká kosmická mise SLAVIA chce pátrat po pokladech vesmíru
- Díky novému objevu týmu Pavla Hobzy by se mohly přepisovat učebnice chemie
Sociálně-ekonomické vědy
Vědecká pracoviště
- Knihovna AV ČR
Národohospodářský ústav AV ČR
Psychologický ústav AV ČR
Sociologický ústav AV ČR
Ústav státu a práva AV ČR
Česká společnost prochází od r. 1989 hlubokou a mnohostrannou transformací. Její analýza je – vedle rozvíjení základního teoretického výzkumu - aktuálním úkolem ústavů této sekce. Zhodnocení výsledků ekonomické proměny, výzkum otevřených problémů dalšího ekonomického vývoje, studium transformace sociální struktury, teoretické základy nového právního systému, aktuální otázky psychologie osobnosti a sociální psychologie, to vše jsou témata, jimiž sociální vědy vstupují do živé diskuse s celou společností. Mnohé z těchto výzkumů využívají komparace s obdobně se měnícími zeměmi Střední Evropy. Rovněž se zkoumají nutné předpoklady a možné důsledky vstupu naší země do Evropské unie. Sekce zahrnuje 5 ústavů s přibližně 260 zaměstnanci, z nichž je asi 150 vědeckých pracovníků s vysokoškolským vzděláním.