IBM и жидкие нанотранзисторы
Оксиды металлов плохо проводят электрический ток. Этот факт знаком даже на бытовом уровне: все знают, что, если контакты окислились, их необходимо очистить от оксида металла.
Однако, несмотря на это, оксиды металлов все же могут стать проводниками – для этого нужен контакт с сильным электролитом. Такими электролитами, которые практически полностью диссоциируют материалы на ионы, являются кислоты, растворимые в воде щелочи и соли ионного строения. Диссоциированные оксиды металлов уже вполне прилично проводят электричество. Фактически происходит «выбивание» ионами сильных электролитов ионов кислорода из оксидов металлов.
Процесс этот не является необратимым, и при удалении ионов сильных электролитов оксид металла снова становится изолятором, что и продемонстрировала компания IBM. Ее специалисты, погрузив миниатюрный провод из оксида в нанотрубку, заполненную электролитом, показали, что он способен служить ячейкой памяти, так как может проявлять свойства либо проводника («единичка»), либо изолятора («ноль»). Большое количество таких наноячеек может создать жидкостный микрочип.
К настоящему моменту электролит на основе ионной жидкости показал свою эффективность только в отношении диоксида ванадия: при положительном заряде жидкости он становится проводником, а при отрицательном заряде – изолятором. Переходу от проводника к изолятору (и наоборот) способствует внешний электрический ток. Жидкие транзисторы не нуждаются постоянно в электроэнергии, чтобы сохранить свое текущее состояние, и после ее отключения способны сохранять информацию практически неограниченное время.
Существует и второй вариант, позволяющий трансформировать оксиды металла из изолятора в проводник. Для этого материал необходимо сильно нагреть при невероятно высоком давлении. К примеру, в августе 2012 года российские ученые из Института кристаллографии и Института ядерных исследований РАН при поддержке Института Карнеги (США), подвергнув оксид никеля давлению в 240 ГПа (это почти в 2,5 млн раз превышает атмосферное) добились проявления у него типично «металлической» проводимости. Однако понятно, что в электронных устройствах подобные методы применены быть не могут.
Создание самой простой схемы на базе жидких транзисторов, по оценке исследователей IBM, займет от двух до четырех лет. Однако в будущем они смогут совершить революцию, поскольку, в отличие от кремниевых, которые соединены проводниками раз и навсегда, их можно будет перепрограммировать – они могут стать не только ячейками памяти, но и выполнять роль коммутатора. Жидкие транзисторы, вероятно, будут более миниатюрными, чем современные кремниевые: диаметр жидкостного канала в созданном учеными IBM прототипе составляет порядка 100 нм, но рассчитанный теоретический минимальный размер таких устройств достигает считанных нанометров. Отметим, что в современных кремниевых транзисторах длина затвора составляет 20-22 нм. Ожидается, что к 2015 году она уменьшится до 14 нм, а затем и до 10 нм. При уменьшении длины затвора транзистора менее 14 нм, в диэлектриках, используемых в устройствах такого типа, начинается заметная утечка заряда. Уменьшение размера жидкостных транзисторов в перспективе приведет к повышению их быстродействия.
Основной же недостаток жидких транзисторов в настоящее время, помимо сложности их производства, значительно (на два порядка) более продолжительный отклик. Компьютер на их базе будет работать гораздо медленнее современного – скажем, как Apple II середины 80-х годов прошлого века. Однако ученые из IBM надеются, что жидкие транзисторы в будущем все же позволят создать принципиально новый класс устройств.