В современной физике и материаловедении открытия, рожденные в новосибирском Академгородке, уже не раз продвигали науку вперед. На этот раз коллектив исследователей из Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) и Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН (ИНХ СО РАН) совершил значимый прорыв и открыл новые горизонты для посткремниевой электроники и нейрокомпьютеров. Под руководством уважаемого члена-корреспондента РАН Виктора Яковлевича Принца и при финансовом участии Российского научного фонда (РНФ), ученым впервые в мире удалось создать эффективные нанопереключатели на базе однокристаллического VO2 — диоксида ванадия, обладающие выдающимися свойствами.
Новые рубежи энергоэффективности для будущей электроники
Разработанные наноразмерные переключатели демонстрируют способность быстро и обратимо изменять электрическое сопротивление, что позволяет им функционировать с минимальными энергетическими затратами, приближенными к работе биологического нейрона. Уникальность конструкции заключается не только в рекордно низком энергопотреблении, но и в высокой скорости отклика и долговечности устройств — число циклов переключений без изменений характеристик превышает 100 миллиардов. Это настоящий технологический прорыв на пути к созданию энергоэффективных нейроморфных систем нового поколения.
Основа: инновационная наноструктура на кремнии
Ключевое отличие новых приборов — в оригинальной архитектуре: в основе каждого переключателя — монокристалл двуокиси ванадия c двумя контактами, одним из которых является сверхтонкая кремниевая наноигла с радиусом около 10 нанометров. На самом кончике этой иглы формируется крохотный кристалл VO2. Такая продуманная геометрия создает мощную концентрацию электрического поля и тока на вершине, обеспечивая быстрый и чёткий переход материала из полупроводникового состояния в металлическое и обратно при рекордно низких напряжениях.
Вся конструкция (подложка, наноигла и второй контакт) выполнена на базе кремния, а единственная инородная часть — это сам монокристалл VO2, находящийся между двумя контактами. Такое решение гарантирует совместимость с массовыми кремниевыми технологиями, позволяя быстро интегрировать новинку в индустриальное производство.
Универсальность для нейрокомпьютерных систем
Результат проделанной работы открывает потенциал в создании огромных сетей, имитирующих работу человеческого мозга. Монокристаллы диоксида ванадия могут выполнять функции искусственных нейронов благодаря скорости переключения и низкому энергопотреблению. Уже сейчас плотность размещения созданных в лаборатории нанопереключателей достигает миллиона устройств на каждый квадратный сантиметр, а дальнейшие исследования показывают перспективу увеличения этого показателя в тысячу раз.
По словам Сергея Владимировича Мутилина, одного из ключевых исследователей проекта, важным достижением стало получение идеально чистых и строго упорядоченных монокристаллов VO2 непосредственно на силиконовых наноструктурах. Теперь технологии, протестированные на двуокиси ванадия, смогут эффективно применяться для создания наноразмерных приборов на других полупроводниковых материалах, которые ранее невозможно было использовать из-за отсутствия совместимых подложек.
Фундаментальный прорыв и новые технологические возможности
Научный коллектив много лет последовательно исследует свойства диоксида ванадия и методы его интеграции с современными нанотехнологиями. Сначала особенности материала изучались на поликристаллических пленках VO2, как и в большинстве мировых лабораторий, однако настоящий успех ознаменовали именно работы с идеально монокристаллическим материалом. Опыт экспертов ИФП СО РАН и ИНХ СО РАН позволил решить задачу синтеза монокристаллов на вершинах наноигл, открыв путь к новым трёхмерным интегральным схемам и интеллектуальным вычислительным устройствам.
Виктор Яковлевич Принц отмечает, что перейти от отдельных кристаллов к функционирующему прибору с интегрированной наноструктурой оказалось возможным лишь благодаря исследованию уникальных условий выращивания VO2 непосредственно на кончике силиконовых игл: такого решения ранее в мировой практике не было. Это позволяет верить, что применение новой технологии приведёт к появлению прорывных продуктов в электронных устройствах, имитирующих природные биоэлектрические сети мозга.
Поддержка Российского научного фонда и будущие планы
Исследование стало возможным во многом благодаря поддержке Российского научного фонда — этот грант стал важной основой для реализации задуманных экспериментальных и технологических шагов. Команда теперь ставит перед собой амбициозные задачи: усовершенствовать энергопараметры нанопереключателей, нарастить масштабность интеграции и сформировать массивы, пригодные для создания полноценных искусственных нейросетей.
Ученые уверены — только в самом начале длинного пути: впереди детальная оптимизация новых устройств, решение вопросов массового производства и поиск новых материалов для аналогичных наноструктур. Не исключено, что революционные решения российской команды окажут определяющее влияние на развитие мировой посткремниевой электроники.
Вдохновляющие перспективы для мировой науки и техники
Работа лабораторий ИФП СО РАН и ИНХ СО РАН под примерным руководством Виктора Яковлевича Принца и Сергея Владимировича Мутилина отражает высочайший уровень российской науки. Новые нанопереключатели VO2, по своей сути, прокладывают мост к созданию вычислительных систем, способных работать с энергозатратами и скоростью, присущими человеческому мозгу. Благодаря этому открытию, становится реальностью создание искусственного интеллекта и новых технологий обработки информации, которые еще недавно казались фантастикой.
Это событие подчеркивает потенциал отечественных научных коллективов и их готовность приносить реальные инновации в сферу передовых цифровых и нейроморфных решений. Впереди — масштабные работы по внедрению разработанных технологий, поиск новых применений и дальнейшее укрепление позиций России в области высоких технологий.
Источник: scientificrussia.ru
