Интернет эпохи пост-6G. Почему терагерцовые волны так важны и почему их было трудно приручить.
NewsMakerДиоксид титана снижает энергетический барьер и уменьшает риск перегрева в терагерцовых устройствах.
Представьте электронный переключатель, который работает не просто быстро, а на частотах, где обычная электроника уже начинает «задыхаться». Именно к такой скорости приближаются терагерцовые квантовые устройства, и теперь у них появился шанс стать практичнее: ученые из UNIST вместе с коллегами из университета Аджу показали новый вариант такого прибора, который выдерживает работу в сильных электрических полях и не разрушает сам себя от перегрева.
Терагерцовые квантовые устройства интересны тем, что способны обрабатывать сигналы на уровнях, недоступных классическим полупроводникам. В основе их работы лежит квантовое туннелирование: электроны под действием терагерцовых волн проходят через энергетический барьер так, как это невозможно объяснить «обычной» физикой. Терагерцовый диапазон, это электромагнитные колебания, которые происходят триллионы раз в секунду, и именно на таких частотах будущие системы связи могут получить заметный выигрыш в скорости.
Проблема была в том, что для запуска туннелирования обычно нужны крайне сильные поля, порядка 3 вольт на нанометр. Это приводит к мощному нагреву, а дальше начинается самое неприятное: металлические электроды могут деградировать или даже плавиться. В результате устройство теряет стабильность и надежность, а это ключевой стоп-фактор для реальных применений.
Команда под руководством профессора Хён Рёль Пака (UNIST) и профессора Сан Ун Ли (Ajou University) решила зайти с другой стороны: не «толкать» электроны все более сильным полем, а упростить им путь. Для этого исследователи заменили изолятор между электродами. Вместо традиционного оксида алюминия Al₂O₃ они использовали диоксид титана TiO₂, у которого ниже энергетический барьер, поэтому электронам легче туннелировать при меньшем напряжении. По словам первого автора работы Кансон Джи, раз туннелирование носит вероятностный характер, снижение барьера резко увеличивает шанс, что процесс начнет происходить.
Отдельное внимание уделили качеству тонкой пленки. Ученые применили атомно-слоевое осаждение, технологию, хорошо знакомую по современной микроэлектронике, которая позволяет очень точно контролировать толщину и состав материала. Это важно, потому что микродефекты вроде кислородных вакансий в тонких слоях могут стать слабым местом и ухудшить стабильность. Профессор Сан Ун Ли подчеркнул, что именно «чистая» пленка без таких дефектов помогла добиться надежной работы.
В результате устройство стабильно демонстрировало туннелирование уже при поле около 0,75 В/нм, то есть примерно при четверти прежних требований. Благодаря хорошим тепловым свойствам TiO₂ оно выдержало более 1000 циклов работы и сохраняло устойчивость даже при модуляции прохождения терагерцовых волн до 60%. Исследование опубликовано в журнале ACS Nano, а авторы считают, что им удалось закрыть сразу две главные боли направления: необходимость в высоких напряжениях и повреждения из-за нагрева. Если подход подтвердит себя в дальнейших разработках, это может приблизить энергоэффективные сверхбыстрые системы связи и новые квантовые сенсоры, ориентированные на эпоху после 6G.
Представьте электронный переключатель, который работает не просто быстро, а на частотах, где обычная электроника уже начинает «задыхаться». Именно к такой скорости приближаются терагерцовые квантовые устройства, и теперь у них появился шанс стать практичнее: ученые из UNIST вместе с коллегами из университета Аджу показали новый вариант такого прибора, который выдерживает работу в сильных электрических полях и не разрушает сам себя от перегрева.
Терагерцовые квантовые устройства интересны тем, что способны обрабатывать сигналы на уровнях, недоступных классическим полупроводникам. В основе их работы лежит квантовое туннелирование: электроны под действием терагерцовых волн проходят через энергетический барьер так, как это невозможно объяснить «обычной» физикой. Терагерцовый диапазон, это электромагнитные колебания, которые происходят триллионы раз в секунду, и именно на таких частотах будущие системы связи могут получить заметный выигрыш в скорости.
Проблема была в том, что для запуска туннелирования обычно нужны крайне сильные поля, порядка 3 вольт на нанометр. Это приводит к мощному нагреву, а дальше начинается самое неприятное: металлические электроды могут деградировать или даже плавиться. В результате устройство теряет стабильность и надежность, а это ключевой стоп-фактор для реальных применений.
Команда под руководством профессора Хён Рёль Пака (UNIST) и профессора Сан Ун Ли (Ajou University) решила зайти с другой стороны: не «толкать» электроны все более сильным полем, а упростить им путь. Для этого исследователи заменили изолятор между электродами. Вместо традиционного оксида алюминия Al₂O₃ они использовали диоксид титана TiO₂, у которого ниже энергетический барьер, поэтому электронам легче туннелировать при меньшем напряжении. По словам первого автора работы Кансон Джи, раз туннелирование носит вероятностный характер, снижение барьера резко увеличивает шанс, что процесс начнет происходить.
Отдельное внимание уделили качеству тонкой пленки. Ученые применили атомно-слоевое осаждение, технологию, хорошо знакомую по современной микроэлектронике, которая позволяет очень точно контролировать толщину и состав материала. Это важно, потому что микродефекты вроде кислородных вакансий в тонких слоях могут стать слабым местом и ухудшить стабильность. Профессор Сан Ун Ли подчеркнул, что именно «чистая» пленка без таких дефектов помогла добиться надежной работы.
В результате устройство стабильно демонстрировало туннелирование уже при поле около 0,75 В/нм, то есть примерно при четверти прежних требований. Благодаря хорошим тепловым свойствам TiO₂ оно выдержало более 1000 циклов работы и сохраняло устойчивость даже при модуляции прохождения терагерцовых волн до 60%. Исследование опубликовано в журнале ACS Nano, а авторы считают, что им удалось закрыть сразу две главные боли направления: необходимость в высоких напряжениях и повреждения из-за нагрева. Если подход подтвердит себя в дальнейших разработках, это может приблизить энергоэффективные сверхбыстрые системы связи и новые квантовые сенсоры, ориентированные на эпоху после 6G.