Elektronika nanometarskih dimenzija – od borova nitrida

Koliko može biti tanak poluvodič? Može biti ne deblji od dva atoma – ako se razvije nova, BN-tehnologija, tehnologija utemeljena na kemijskom spoju bora i dušika, borovom nitridu.

Nenad Raos subota, 3. srpnja 2021. u 06:15

Kad čujemo riječ „magnet“, ni ne pomislimo kakvih sve magneta ima – jer svugdje gdje se pojavljuje električno nastaje i magnetsko polje: od atoma do galaksija. Pa ipak, kada kažemo „magnet“ prva nam je pomisao komad magnetičnog željeza – i to s dobrim razlogom. Dobar razlog je u tome što je riječ o izrazito jakom i vrlo postojanom magnetskom polju.Taj nam se svima poznati magnetizam zove feromagnetizam, a njegova je pojava – sama riječ kaže – uzročno vezana za željezo (lat. ferrum), premda feromagnetično nije samo željezo. Štoviše, pojava feromagnetizma, i uopće magnetizma, nije otkrivena – još u antičko doba! – na željezu nego na magnetitu (Fe3O4), mineralu prema kojem je magnetizam dobio ime.

No uz feromagnetizam postoji i analogna mu pojava poznata kao feroelektričnost, koja je – za razliku od feromagnetizma – otkrivena prije samo stotinu godina (i nema izravne veze sa željezom). Kažem „analogna pojava“ jer je kod feroelektričnosti riječ o tome da se ne mijenja jakost i smjer magnetskog polja feromagnetske tvari nego jakost i smjer električnog polja feroelektrične tvari, no prema jednakoj (analognoj) fizičkoj zakonitosti. I struktura feromagnetičnih i feroelektričnih tvari je slična: u svakoj se nalaze domene s paralelnim ili antiparalelnim magnetskim (električnim) poljem. I tu je problem. Domene su sitne, volumen domene magneta može biti samo 10-12 m3 (0,001 mm3) – ali  što je to prema veličini atoma i molekula! A o tome se radi i na tome se radi: na nanoelektronici, elektroničkim sklopovima nanometarskih, pravo rečeno atomskih dimenzija.

Važan korak u tom smjeru nedavno je načinjen te objavljen, u dva znanstvena rada u lipanjskom broju časopisa Science. U prvom radu, „Stacking-engineered ferroelectricity in bilayer boron nitride“, opisuje se struktura i svojstva novog feroelektričnog materijala, a u drugom, „Interfacial ferroelectricity by van der Waals sliding“, njegovo priređivanje. Puno stručnih, teško prevedivih riječi, pa opet se iz naslova može vidjeti o čemu je riječ. Riječ je, najjednostavnije rečeno, o feroelektričnoj tvari napravljenoj pomicanjem slojeva borova nitrida, BN.  

Borov nitrid, točnije njegova heksagonska modifikacija (h-BN) je materijal nalik grafitu. Strukture borova nitrida i grafita sliče na heksagonsku mrežu, poput one za hvatanje lopte na nogometnim vratnicama, no u vrhovima grafitne mreže nalaze se atomi ugljika, dok se u vrhovima mreže borova nitrida nalaze naizmjence atomi bora (B) i atomi dušika (N). (U grafitu su sve kemijske, kovalentne veze tipa C–C, a u borovom nitridu tipa B–N.) No to nije jedina razlika. U borovom nitridu ispod svakog atoma bora leži atom dušika, i obratno, dok kod grafita atom ugljika ne leži ispod atoma ugljika nego ispod očice heksagonske mreže. Tako je to dosad bilo: ono što su napravili autori dva spomenuta znanstvena rada je da su zarotirali slojeve h-BN (AA') te iz njih dobili domene sa tri tipa slaganja. Prvo slaganje (AA) se od slaganja AA' razlikovalo po tome što su atomi bora došli ispod atoma bora, a atomi dušika ispod atoma dušika. To se slaganje malo razlikovalo od slaganja tipa AA', osim po (umanjenoj) stabilnosti.

No druga je priča bila s druga dva slaganja. Zbog položaja p-orbitale atoma dušika (N-2pz) domene sa slagalinama AB i BA su polarizirane, i to u suprotnim smjerovima. Tako je nastala feroelektrična domena debela koliko i dva sloja molekula borova nitrida – samo 0,7 nm. Uzmemo li da feroelektričnu domenu možemo predočiti istostraničnim trokutom visine 20 nm, nije teško izračunati da joj volumen iznosi samo 500 nm3 ili 5·10-25 m3.

I eto nas pred vratima nove, „dvodimenzijske“ elektronike. Dva sloja borova nitrida umetnuta između dva sloja grafita, ili točnije grafena, koji služe za vođenje električne struje, bila bi dovoljna za izradu poluvodičkog elementa, tranzistora s efektom polja (ferroelectric field-effect transistor, FeFET) nanometarskih dimenzija. Dodamo li tome da su bor, a posebice dušik vrlo jeftini materijali, možemo sa još više nade gledati na budući uspjeh nanoelekronike utemeljene na kemijskom spoju bora i dušika, BN-elektronike.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir i, naravno, BOL. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.

📢 Besplatna dostava

TOP!

ASUS

ASUS ponuda laptopa zavidnih performansi koja se ne propušta.

2.999kn 398,04 € Kupi


2-smjerni bookshelf zvučnici

DALI Opticon 2 MK2

Patentirani SMC, woofer od drvnih vlakana, zvuk visokih performansi u manjim do srednje velikim prostorima, 59 - 25,000 Hz, 4 ohma, 30 - 150W, 86.5dB.

8.589 kn 1.139,96 € Kupi

iBX subwoofer

KEF KUBE 10B

Isporuka impresivne glazbe i zvuka kućnog kina, 300W RMS klase D, 24 - 140Hz, 111dB, iBX tehnologija.

5.249 kn 696,66 € Kupi

Potpuno automatski gramofon

PRO-JECT A1

Potpuno automatski sustav remenskog pogona, 33 i 45 o/min, mehanički sustav, OM 10, 65dB, 8,3” aluminijska ručica.

3.499 kn 464,40 € Kupi