Уникальный материал на графене повысит мощность электроники

07 октября 2021, 07:41

В Алфёровском университете синтезировали структуры с нанопроволоками из нитрида галлия и продемонстрировали их аномально низкое сопротивление. Это поможет создать высокомощную и при этом гибкую электронику. Результаты опубликованы в престижном журнале “Journal of Materials Chemistry C”.

 

Нитрид галлия (GaN) — полупроводниковый материал, пригодный для создания компонентов современной электроники, светодиодов, фотоприемников и пьезогенераторов. СВЧ-приборы на его основе обладают большей мощностью по сравнению с аналогами из других материалов. 

Кроме того, нитрид галлия может быть синтезирован в форме нанопроволок, что позволяет использовать его при создании гибкой электроники. Этот широкозонный полупроводник может иметь высокое кристаллическое совершенство. Синтез первых совершенных структур на основе GaN был отмечен Нобелевской премией 2014 года. 

Физики Алфёровского университета совместно с научным центром C2N (Франция) создали нанопроволоки нитрида галлия с уникальными электрическими свойствами. Они вырастили материал на  дешевой кремниевой подложке, покрытой графеном — сверхпрочным материалом, также отмеченным Нобелевской премией.

“При росте нанопроволок из нитрида галлия на традиционных подложках формируются кристаллы с обеими полярностями. Это повышает сопротивление и ухудшает электрические свойства проволок. Мы синтезировали материал с фиксированной полярностью. Его использование существенно повысит мощность приборов на основе GaN нанопроволок” — сообщает Иван Мухин д.ф.-м.н., заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии Алфёровского университета.

Затем учёные объяснили свойства нового материала теоретически. Для этого они создали новый метод численного моделирования. 

В процессе работы физики установили, что ключевое влияние на параметры системы оказывает ориентация диполей галлий-азот. Это свойство часто называют полярностью кристалла. Так как традиционный метод расчета очень требователен к вычислительным ресурсам, исследователям пришлось уменьшить систему до минимально возможной конфигурации.

"Обычно для описания свойств наносистем используют теорию функционала плотности. Это надёжный метод, применимый для кристаллических тел и молекулярных систем. Мы адаптировали эти методы расчета из первых принципов для наших нужд — описания процессов нуклеации и формирования наносистем.”  — Александр Павлов, м.н.с. лаборатории возобновляемых источников энергии, первый автор работы, опубликованной по результатам проведенных исследований.

Затем учёные провели пространственную оптимизацию систем и оказалось, что только системы с N-полярностью оказались стабильны. Этот факт был проверен на полученных экспериментальных образцах. Все выращенные нанокристаллы обладали N-полярностью.

Возможность выращивать структуры фиксированной полярности существенно улучшит характеристики приборов на основе GaN нанопроволок: увеличит мощность СВЧ-электроники и светодиодных структур. Также материал может быть использован для создания эффективных гибких пьезогенераторов: например, генераторов электроэнергии на подошвах кроссовок, которые могут производить электроэнергию при ходьбе.