Dvourozměrný materiál může částečně nahradit křemík v elektronice

Křemík najdeme v telefonech, počítačích a jakékoli další elektronice. Je totiž základním materiálem pro výrobu polovodičů, ze kterých se vyrábějí jejich komponenty. Tento po desetiletí používaný prvek však dosáhl svých limitů. Vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR popsali vlastnosti jodidu chromitého, materiálu, který by mohl roli křemíku částečně zastoupit. Významnou studii publikoval odborný časopis Physical Review B.

Elektronika prochází neustálým procesem miniaturizace. Jenže její základní součástky nemohou být kvůli fyzikálním vlastnostem křemíku o mnoho menší. Naděje odborníků se upínají k pokročilým 2D materiálům.

Struktura dvourozměrných materiálů připomíná pravidelnou síť o tloušťce jediného atomu. Ačkoli se předpokládá, že existují stovky takových jednovrstvých materiálů, jejich vlastnosti nejsou dostatečně prozkoumané. První z nich, grafen, totiž vědci objevili teprve před patnácti lety. „Existuje jich celá rodina. Kromě grafenu, což je polokov, zahrnuje také izolanty, polovodiče, supravodiče, nebo magnety,“ popisuje jejich specifické vlastnosti Martin Kalbáč z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.

Grafické znázornění struktury typického 2D materiálu s tloušťkou jeden atom.

Martin Kalbáč se s kolegy ve svém bádání zaměřili na jodid chromitý, materiál s chemickým vzorcem CrI₃. Jeho strukturu tvoří jediná vrstva atomů chrómu a jódu s tloušťkou přibližně jednoho nanometru. Experimenty měly za cíl poodhalit, jak se bude materiál chovat v různých tlakových a teplotních podmínkách. „Krystal jsme podrobili vysokému tlaku, 20 gigapascalů a více, a změny magnetického stavu jsme sledovali spektrometrem,“ vysvětluje postup experimentu Haider Golam z téhož ústavu.

Nové a nečekané vlastnosti
Tým zjistil, že při tlaku do 22 gigapascalů se materiál chová jako takzvaný feromagnet. Prochází spontánní magnetizací, kdy se spiny všech jeho elektronů zorientují do jednoho směru. Naopak při tlaku vyšším, nad 30 gigapascalů, začne vykazovat vlastnosti antiferomanetu. Při něm se spiny uspořádají protichůdně a materiál nevykazuje téměř žádný vnější magnetismus.

Odborníky ale zajímaly vlastnosti krystalu poté, co ho vystavili nízké teplotě. Mezi zmíněnými 22–30 gigapascaly se jodid chromitý začal chovat jako takzvané spinové sklo. „Spiny elektronů zde mohou zaujmout mnoho různých uspořádání, nejsou periodicky uspořádané jako v běžných magnetech,“ doplňuje Jana Kalbáčová Vejpravová z Univerzity Karlovy. Název spinové sklo pramení z toho, že svým atomárním uspořádáním připomíná strukturu křemíku a kyslíku ve skle.

Martin Kalbáč z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR

Rychlejší záznam a více dat
Tato vlastnost se obzvlášť hodí pro výrobu záznamových zařízení, například pamětí. „Magnetické ukládání dat je jedním z klasických způsobů, jak zachovávat informace,“ popisuje Martin Kalbáč a dodává, že magnetismus je v principu způsobený právě spinem elektronů v atomech.

Na magnetické disky se data ukládají tak, že se při záznamu vytvoří stabilní orientace jednoho pólu. Ta určuje binární informaci (1 nebo 0), kterou je možné později přečíst. „Očekává se, že velkou výhodou budoucí elektroniky vyrobené z materiálů jako je jodid chromitý bude odolnost vůči vnějšímu rušení a šumu.“

Podobné technologie jsou jednou z nadějných cest, jak zvýšit kapacitu pamětí a snížit jejich velikost. Protože má 2D materiál na šířku pouhý atom, součástka může mít více prostoru pro záznam. Nicméně podle Martina Kalbáče se elektronika své závislosti na křemíku touto cestou hned tak nezbaví. „Vhodná kombinace 2D materiálů však může poskytnout jedinečné možnosti pro návrh zařízení, která budou mít lepší vlastnosti než ta, která jsou postavená zcela na bázi křemíku.“

Více jsme o dvourozměrných materiálech psali zde:

Grafen a polyanilin ve 2D jako cesta k superkondenzátorům pro elektromobilitu
Vědci umí díky unikátnímu spojení dvou metod zjistit vady grafenu
Akademický bulletin: Dvojrozměrné materiály budoucnosti
Fyzikální ústav AV ČR: 2D materiály aneb grafen a jak to bylo dál

Text: Jan Hanáček, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock; Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR

  Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Nový vodíkový elektrolyzér ukládá energii z obnovitelných zdrojů
• Chemičkou jsem se chtěla stát už od čtrnácti let, říká Adéla Šimková
• Vědci vyvinuli novou kontrastní látku, která pomůže včas odhalit skryté nemoci
• Rostliny v sobě mají neuvěřitelné chemické bohatství, říká Tomáš Pluskal
• Krotitelé molekul: vědci objevili, jak zvýšit kapacitu molekulárních čipů
• Od vynálezu k praxi. Firma vyzkouší metodu jednodušší výroby metanolu
• Badatelé představili 3D materiály pro rekonstrukční a plastickou chirurgii
• Proč se Země a Venuše vyvinuly odlišně? Napoví mise, jíž se účastní i Češi
• Nová zobrazovací metoda pomůže rychleji identifikovat například rakovinné tkáně
• AMULET se zaměří na vývoj multiškálových materiálů, získal téměř půl miliardy