У электроники в телефоне, в машине и у каждого спутника, который сейчас вращается вокруг Земли, есть один существенный недостаток: они не выдерживают высоких температур. Если температура поднимается выше 200 градусов по Цельсию, они начинают выходить из строя. На протяжении десятилетий этот температурный предел был одной из самых труднопреодолимых преград в инженерии. Но, возможно, команда ученых из Университета Южной Калифорнии нашла способ его преодолеть.
В исследовании, опубликованном в журнале Science, ученые сообщили о разработке нового типа электронного запоминающего устройства, которое стабильно работало при температуре 700 градусов по Цельсию — это выше, чем температура расплавленной лавы, и намного выше, чем у всех предыдущих устройств такого типа. Устройство не подавало признаков того, что достигло предела своих возможностей. Семьсот градусов — это максимальная температура, которую могло выдержать их испытательное оборудование.
Устройство представляет собой мемристор — наноразмерный компонент, который может одновременно хранить информацию и выполнять вычислительные операции. Представьте себе крошечный сэндвич: два внешних слоя электродов с тонкой керамической прослойкой посередине.
Исследователи создали этот особый мемристор, используя в качестве верхнего слоя вольфрам — металл с самой высокой температурой плавления среди всех элементов, — керамику из оксида гафния в качестве среднего слоя и графен в качестве нижнего. Графен — это слой углерода толщиной в один атом, тот же элемент, что и алмаз, и, как и окружающие его материалы, он может выдерживать огромные температуры без разрушения.
В результате получилось устройство, которое хранило данные более 50 часов при температуре 700 градусов без необходимости обновления, выдерживало более миллиарда циклов переключения при такой температуре и работало при напряжении всего 1,5 вольта со скоростью работы в десятки наносекунд.
В обычном устройстве под воздействием тепла атомы металла в верхнем электроде медленно перемещаются через керамический слой, пока не достигают нижнего электрода. После этого два электрода соединяются, происходит короткое замыкание, и устройство остается во включенном состоянии, то есть фактически выходит из строя.
Графен останавливает этот процесс. По словам исследователей, взаимодействие его поверхности с вольфрамом происходит почти так же, как взаимодействие масла и воды. Атомы вольфрама, которые дрейфуют к поверхности графена, не могут закрепиться на ней. Им не за что зацепиться, и они улетают прочь. Нет зацепа — нет короткого замыкания — нет сбоя.
Команда не просто наблюдала за этим эффектом. С помощью современной электронной микроскопии, спектроскопии и компьютерного моделирования на квантовом уровне они выяснили, что именно происходит на атомном уровне на границе раздела графена и вольфрама. Именно это понимание механизма позволяет превратить случайный результат в нечто полезное. Теперь можно выявлять и тестировать другие материалы с аналогичным графену химическим составом поверхности, что потенциально упростит производство устройства в промышленных масштабах.
Потенциальные области применения выходят далеко за рамки исследования планет. Для глубокого бурения с целью получения геотермальной энергии требуется электроника, способная работать в условиях, когда окружающие породы светятся красным. Ядерные и термоядерные энергетические установки выделяют большое количество тепла вблизи оборудования управления. Даже в повседневных задачах есть практическая польза: устройство, рассчитанное на температуру до 700 градусов, практически неуязвимо для пиковых температур в 125 градусов, с которыми регулярно сталкиваются автомобильные компьютеры.