Учёные Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (СГУ) разработали цифровой прототип наноразмерного источника электрического тока, способный генерировать предельно большие плотности тока. Подобный источник тока способен обеспечивать значения мощности, недостижимые в известных на сегодня электронных устройствах.
Одна из главных проблем в области наноэлектроники – отсутствие компактных генераторов электрического тока с низкой себестоимостью, способных обеспечить большую мощность для широкого использования в различных электронных устройствах.
Разработанный учёными СГУ цифровой прототип наноразмерного источника тока прогнозирует генерацию тока плотностью до триллиона ампер на квадратный метр. Это в десять тысяч раз больше плотности тока, генерируемого современными устройствами. Пропорционально увеличению плотности тока растёт мощность электрического тока. Плотность тока – важная техническая характеристика катодного узла электронного устройства, её повышение способствует улучшению производительности и функциональности устройств, например, увеличению скорости передачи информации по телекоммуникационным сетям.
Для работы такого наноразмерного источника электрического тока потребуется гораздо меньшее напряжение по сравнению с другими подобными устройствами – всего лишь десять вольт. При этом размер источника не будет превышать 10 нанометров. Источник тока представляет собой катод в виде слоистой плёнки, состоящей из нескольких слоёв бериллия и алмазной плёнки. В основе работы лежит квантовый эффект –резонансное туннелирование электронов через несколько чередующихся квантовых ям и барьеров. Барьерами для электронов выступают металлические сетки. Электроны «прыгают» через эти препятствия под воздействием напряжения, что способствует увеличению плотности тока. Изменяя напряжение, можно контролировать поток электронов (электрический ток) в наноструктуре.
«Изобретённые цифровые прототипы наноразмерного источника, базирующиеся на современных уникальных наноструктурах не имеют аналогов. В отличие от используемых в настоящее время полупроводниковых структур с одной и двумя квантовыми ямами, которые формируются только за счёт изменения концентрации электронов, в нашем случае квантовые ямы образуются за счёт подачи на сетки определённых значений напряжений, что позволяет сильно увеличить ток и осуществлять его управление», – рассказала заведующая кафедрой радиотехники и электродинамики Института физики СГУ О.Е. Глухова.
Разработанный цифровой прототип наноразмерного источника тока можно использовать для создания усилителей и генераторов тока, способных работать на очень высоких частотах, а также в качестве источников электронов, обеспечивающих большую мощность. Такие источники тока, способные генерировать предельно большие плотности тока, очень востребованы в беспроводной коммуникации, медицинской диагностике, радиолокации. Однако высокая плотность тока вызывает значительный разогрев материала и, как следствие, разрушение материалов катода. Учёные решили и эту проблему. Чтобы источник тока не расплавился, катод необходимо сделать очень тонким, что обеспечит эффективный теплоотвод.
Работа носит теоретический характер, однако современные нанотехнологии уже позволяют изготовить структуры, предложенные учёными. Полученные результаты базируются на основе новейших подходов квантовой теории электронного транспорта и высокопроизводительных вычислениях, реализуемых на супер-ЭВМ.
Исследование выполнено в рамках гранта № 21-19-00226 Российского научного фонда и при поддержке программы «Приоритет 2030».
Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
Текст: Полина Громова