При выращивании нановолокон могут «нарушаться» законы термодинамики

Если бы кристаллы кремния в микросхемах были действительно чистыми, то электроника не могла бы работать — из-за слишком низкой проводимости. Чтобы повысить её, кремний допируют примесями.

Как удалось выяснить международной группе учёных с участием представителей Института физики микроструктур Общества Макса Планка (Германия), если допирование нановолокон из кристаллического кремния проводить атомами алюминия, его эффективность может быть намного больше, чем предсказывает теория.

Кремний из силана осаждается на каплю жидкого алюминия и мигрирует к её низу, попутно получая больше атомов алюминия, чем теоретически предсказывает термодинамика. (Здесь и ниже иллюстрации MPIMP.)

«Кремний здесь [в процессе допирования] получает в 10 000 раз больше алюминия, чем позволяют законы термодинамики», — провокационно утверждает Экхард Пиппель (Eckhard Pippel) из Института физики микроструктур. Согласно вышеупомянутым законам, при спонтанном допировании кристалла кремния атомом алюминия должен замещаться не более чем один атом на миллион. Однако, измерив уровень такой замены на практике, исследователи получили 40 000 атомов на миллион. При этом атомы алюминия почему-то показали равномерное распределение по всему допируемому материалу, что означает пригодность такого техпроцесса для использования в электронике.

Чтобы обнаружить это, учёные применили УФ-томографию с использованием лазерного излучения.

Что не так здесь с законами термодинамики? Исследователи полагают, что во всём повинны кинетические процессы. Законы термодинамики описывают идеальное состояние, при котором вещество находится в термодинамическом равновесии. В случае кристалла это означает полное отсутствие дефектов, в реальности недостижимое.

Учёные выращивали кремниевые нановолокна, используя камеру с силанами (кремневодородами) и микрокаплями алюминия, находящимися на кремниевой подложке. Когда алюминий начинает плавиться, а подложка — ещё нет, часть содержащегося в силане кремния послойно оседает поверх алюминиевых капель, а те растворяются в оседающих слоях. Из-за малых размеров получившихся нановолокон их формирование происходит при весьма далёких от термодинамического равновесия условиях. Авторы работы подозревают, что то же относится и к другим комбинациям полупроводников и металлов. А значит, электроника на нановолокнах может иметь весьма необычный химический состав (очень высокое содержание допирующих веществ) и свойства (в том числе проводимость), значительно превосходящие известные нам по нынешним полупроводникам.

Подготовлено по материалам Института физики микроструктур Общества Макса Планка.