Уникальные свойства алмаза делают его перспективным материалом для полупроводниковой электроники.

Скользят и контактируют

Электрический ток течёт по проводам и прочим проводящим элементам, но рано или поздно ему приходится «перебираться» в другой провод или элемент. На контакте возникает множество проблем, особенно, если это не пайка, а механический контакт. Площадь истинного контакта бывает во много раз меньше, чем кажется, из-за чего растёт сопротивление, тепловыделение и температура. Ещё сложнее жизнь у скользящих контактов, когда элементы, по которым течёт ток, скользят друг по другу. Трамвай и троллейбус — очевидные примеры, менее очевидные — многие электродвигатели. У скользящих контактов возникают новые проблемы: трение и износ. Традиционное решение — композиционный материал, полученный прессованием и спеканием смеси порошков меди и графита. Медь обеспечивает проводимость, графит — низкое трение. Но проводимость такого материала ограничена — частички меди разделены частицами графита, что уменьшает контакт между ними и затрудняет образование непрерывного проводника, а износ увеличивается потому, что материал имеет низкую прочность и упругость. И тут на сцену выходят латунная сетка и фуллерены.

Исследователи из Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН и Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН заменили в композите порошок меди на сетку из латунной проволоки с ячейками 0,3—0,5 мм или на медный цилиндр с такими же отверстиями, а графит — на фуллерит С₆₀ с размером частиц около 40 мкм. При нагреве под давлением фуллериты превращались в массивы твёрдого углерода высокой упругости. В итоге лучшие образцы имели проводимость на 14% меньше, чем у монолитной меди, но в 3,6 раза выше, чем традиционные композиты медь-углерод. Коэффициент трения оказался 0,09—0,13 против 0,3 для латуни в сравнимых условиях.

Лукина И. Н. и др. Композиционные материалы с включениями наноструктурного углерода для скользящих электроконтактов. ЖТФ, 2025, вып. 2, c. 326.

Диэлектрический детектор для рентгена

Как измерить мощное электромагнитное излучение, например, от термоядерной установки или солнечной вспышки? Обычные полупроводниковые или фотоэмиссионные детекторы, в которых излучение порождает электроны и, соответственно, электропроводность, слишком чувствительны и в таком излучении могут «захлебнуться». Есть и другие технические сложности. Физики из Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) ещё в 2016 году обнаружили, что при облучении импульсом высокоэнергичного излучения диэлектрика в цепи, которая его содержит, возникает электрический отклик, связанный с фотоэмиссией. И предположили, что его можно использовать для измерения излучения. Достоинство широкозонных диэлектриков в качестве материала для детекторов в том, что для образования в них свободных носителей заряда требуется значительно больше энергии.

В новой работе исследователи из ТРИНИТИ вместе с коллегой из ИПМ им. М. В. Келдыша РАН разработали и экспериментально испытали два типа диэлектрических детекторов (потенциальный и токовый). Для изучения происходящих процессов они обрушили на поверхность кварца электромагнитное излучение с энергией 10—1000 эВ, что соответствует диапазону от дальнего УФ до мягкого рентгена. Длина импульса составляла 10 нс, мощность 1—2 ТВт, плотность мощности на мишени 1—2 МВт/см². Излучение проникало в кварц на глубину 1 мкм. Авторы обнаружили фотоэмиссию, ограниченную возникающим при зарядке поверхно-сти электрическим полем, и построили модель, согласующуюся с экспериментальными данными. Максимальная напряжённость поля над поверхностью диэлектрика в условиях эксперимента составляла 0,45 кВ/см, поле в диэлектрике — 4,5 кВ/см, ток фотоэмиссии — 2—4 мА с площади 0,5 см².

Барыков И. А. и др. Радиационно-индуцированные эффекты в широкозонных диэлектриках. Письма в ЖТФ, 2024, вып. 19, с. 19.

Заря алмазной электроники

Уникальные свойства алмаза делают его перспективным материалом для полупроводниковой электроники. Это рекордная теплопроводность, в пять раз больше, чем у меди, большая электропрочность (пробивное напряжение 800 МB/м) и высокая подвижность носителей заряда. Проблема в том, что алмаз — диэлектрик с большой шириной запрещённой зоны 5,5 эВ. То есть для использования надо сделать из него полупроводники n- и p-типа с требуемой концентрацией примесей (для активных слоёв от 10¹⁵ до 10¹⁷ см^–3, для контактных слоёв — более 10²⁰ см^–3) и сохранением прочих хороших свойств. Попытки ввести в алмаз бор для получения проводимости p-типа и фосфор — для n-типа делались неоднократно, но это оказалось сложной задачей.

Пример структуры для полевого транзистора (вверху) и транзистор (внизу). Рисунок из реферируемой статьи.

Исследователи из Института прикладной физики им. А. В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) разработали технологию легирования алмаза бором и фосфором в плазмохимическом реакторе, где на бездефектную алмазную подложку с атомарно гладкой поверхностью осаждался алмаз из газовой фазы (метод CVD). Газовая смесь состоит из водорода с небольшой (0,1-1%) добавкой метана CH₄ при давлении 30—500 торр. Для введения в алмаз бора или фосфора в газовую смесь добавлялся диборан B₂H₆ или фосфин PH₃. Магнетрон, излучающий на частоте 2,45 ГГц, создавал из газов внутри резонатора плазму.

Таким способом удалось получить слои алмаза, сильнолегированные бором и фосфором с концентрациями до 1,5•10²¹ и 3•10²⁰ см^–3 соответственно. Слои имели низкое удельное сопротивление, соответственно 10^–3 и 5—7 Ом•см. На основе таких слоёв созданы структуры для формирования и исследования нескольких видов алмазных приборов: диода Шоттки, pn-диода Шоттки, p-i-n-диода и полевого транзистора. Приводятся характеристики приборов, получены поле пробоя 600 МB/м и плотность тока 1 кА/см².

Лобаев М. А. и др. CVD-алмазные структуры с p-n-переходом — диоды и транзисторы. ЖТФ, 2025, вып. 3, с. 540

№8, 2025