mikroelektronika | Svět2000

Nová metoda TU Vídeň odhalila záhadu pomalých elektronů

28. 5. 2024 Iveta Mauci, šéfredaktorka a licencovaná autorka vědeckých zpráv NASA, ESO, ESA, AAAS a EurekAlert 0 komentářů 3 min read 421 Zobrazení Evropa, léčba rakoviny, mikroelektronika, pomalé elektrony, rakovina, rychlé elektrony, Technická univerzita, Vídeň

Fyzika-matematika Nové Technologie Výzkum

Pomalé elektrony se používají při terapii u rakoviny i v mikroelektronice. Pozorovat ale jak se chovají v pevných látkách, je obtížné. Na Technické univerzitě ve Vídni je to nyní možné, a to pomocí triku.

Elektrony se mohou chovat velmi odlišně v závislosti na tom, kolik energie mají. Zda vystřelíte elektron s vysokou nebo nízkou energií do pevné látky, určuje, jaké efekty to může vyvolat. Elektrony s nízkou energií mohou být zodpovědné za vznik rakoviny. Ale i naopak. Mohou být použité k ničení nádorů. Význam mají i technologicky, například pro výrobu jemných struktur v mikroelektronice.

Měřit pomalé elektrony, je extrémně obtížné. Chování pomalých elektronů v pevných materiálech, je odhalovaná metodou pokusu a omylu. Na Technické univerzitě ve Vídni se však nyní podařilo získat nové cenné informace o chování těchto elektronů. Rychlé elektrony se používají ke generování pomalých elektronů přímo v materiálu. To nám umožňuje dešifrovat detaily, které byly dříve experimentálně nepřístupné. Novou metou představili vědci v časopise „Physical Review Letters“.

Dva typy elektronů současně

„Zajímá nás, co dělají pomalé elektrony uvnitř materiálu. Například uvnitř krystalu nebo uvnitř živé buňky,“ říká prof. Wolfgang Werner z Institutu aplikované fyziky na TU Vídeň. „Abyste to zjistili, museli byste vlastně postavit minilaboratoř přímo v materiálu, abyste mohli měřit přímo na místě. Ale to samozřejmě není možné.“

Můžete měřit pouze elektrony, které vycházejí z materiálu. Ale stále nevíte, kde se v materiálu uvolnily a co se s nimi od té doby stalo. Tým z TU Wien tento problém vyřešil pomocí rychlých elektronů, které pronikají do materiálu a stimulují tam různé procesy. Mohou například narušit rovnováhu mezi kladnými a zápornými elektrickými náboji v materiálu. Což pak může způsobit, že se další elektron přesune ze svého místa. Pohybuje se relativně nízkou rychlostí a v některých případech z materiálu unikne.

Zásadním krokem je nyní měření těchto různých elektronů současně. „Na jedné straně vystřelíme elektron do materiálu a změříme jeho energii, když se znovu vynoří. Na druhou stranu zároveň měříme, které pomalé elektrony vycházejí z materiálu.“ A kombinací těchto dat lze získat informace, které byly dříve nedostupné.

*Felix Blödorn, Julian Brunner, Alessandra Bellissimo, Florian Simperl, Wolfgang WernerHrají: Felix Blödorn, Julian Brunner, Alessandra Bellissimo, Florian Simperl, Wolfgang Werner*.

Není to divoká kaskáda, ale série kolizí

Množství energie, kterou rychlý elektron ztratil na své cestě materiálem, poskytuje informaci o tom, jak hluboko materiálem pronikl. To zase poskytuje informaci o hloubce, ve které byly, pomalejší elektrony, ze svého místa uvolněny.
Z těchto údajů nyní můžete vypočítat, do jaké míry a jakým způsobem uvolňují pomalé elektrony v materiálu svou energii. Numerické teorie mohou být konečně, pomocí dat, poprvé spolehlivě ověřeny.

Došlo k překvapení. Dříve se předpokládalo, že uvolňování elektronů v materiálu, probíhá kaskádovitě. Rychlý elektron vstoupí do materiálu. Narazí do jiného elektronu. A ten, je ze svého původního místa, vyražený ven. Takže dva elektrony nyní letět dál. Tyto dva elektrony by nyní vytlačily další dva elektrony ze svého místa a tak dále. Nová data ukazují, že to není pravda. Namísto toho rychlý elektron podstoupí řadu srážek. Ale vždy si zachová velkou část své energie a při každé z těchto interakcí se ze svého místa uvolní pouze jediný, poměrně pomalý elektron.

„Naše nová metoda nabízí příležitosti ve velmi odlišných oblastech,“ říká Wolfgang Werner. „Nyní můžeme konečně prozkoumat, jak elektrony uvolňují energii při jejich interakci s materiálem.“ Právě tato energie rozhoduje například v terapii rakoviny o tom, zda lze zničit nádorové buňky. Nebo v elektronové litografii o tom, zda je možné vytvořit správně nejjemnější detaily polovodičové struktury.“

Článek byl upraven z tiskové zprávy Technické univerzity ve Vídni. Odborná publikace: W. Werner a kol., Dissipation of Fast Electrons in Polymethylmethakrylát.Toward a Universal Curve for Electron-Beam Attenuation in Solids mezi ~0 eV a Relativistic Energies, Phys. Rev. Lett. 132, 186203 (2024).

Čím menší, tím výkonnější, vědci přišli s průkopnickým objevem pro naše telefony a PC

14. 4. 2024 Iveta Mauci, šéfredaktorka a licencovaná autorka vědeckých zpráv NASA, ESO, ESA, AAAS a EurekAlert 0 komentářů 2 min read 398 Zobrazení čip, mikročip, mikroelektronika, mobil, mobilní telefon, PC, počítač, počíteče, tablet

Technologie TOP 10

**OBRAZ:** ILUSTRACE REDOXNÍHO HRADLOVÁNÍ PRO MANIPULACI S NOSIČEM A ŘÍZENÍ ELEKTRICKÉHO POLE ELEKTRONICKÉHO STAVU. ZELENÁ VLÁKNA PŘEDSTAVUJÍ FUNKČNÍ MOLEKULY PRO REDOXNÍ HRADLOVÁNÍ A SCHOPNOST FUNGOVAT PŘI NÍZKÉM VÝKONU NAPODOBUJE SYNAPTICKÉ PŘEPÍNÁNÍ V LIDSKÉM MOZKU, JAK JE REPREZENTOVÁNO ZÁKLADNÍ SYNAPSÍ.

Mikroelektronická zařízení, jako jsou mikročipy v počítačích a mobilních telefonech, zpracovávají a ukládají informace a jsou pro náš život rozhodující. Podle recenzovaného článku zveřejněného v tiskové zprávě AAAS, jsou nezbytné pro řízení podniků, pomáhají sledovat šíření nemocí, dodávají energii do domácností prostřednictvím elektrické sítě a provádějí vědecký výzkum v boji proti velkým výzvám, jako je klimatická krize.

Mikroelektronika čelí klíčové výzvě kvůli své malé velikosti. Aby se zabránilo přehřátí, mikroelektronika potřebuje spotřebovat pouze zlomek elektrické energie než konvenční elektronika a přitom stále pracuje na špičkovém výkonu.

Výzkumníci z Argonne jsou průkopníky „redoxního hradlování“, neboli nového způsobu, jak přesně modulovat tok elektronů. Průlom by mohl pomoci vést k vývoji nových nízkoenergetických polovodičů nebo kvantových zařízení.

S tím, jak jsou integrované obvody, které napájejí naše elektronická zařízení, stále výkonnější, jsou ku podivu také stále menší. Tento trend mikroelektroniky se v posledních letech jen zrychlil, protože vědci se snaží na čip osadit stále více polovodičových součástek. V nové studii publikované v Advanced Materials navrhl tým Argonne nový druh techniky „redoxního hradlování“, která může řídit pohyb elektronů dovnitř a ven z polovodičového materiálu.

„Režim subvoltů, kde tento materiál funguje, je velmi zajímavý pro výzkumníky, kteří chtějí vytvořit obvody, které by fungovaly podobně jako lidský mozek, který také pracuje s velkou energetickou účinností.“ — Vědec z oblasti Argonne Wei Chen

„Redox“ označuje chemickou reakci, která způsobuje přenos elektronů. Mikroelektronická zařízení se obvykle spoléhají na elektrický „efekt pole“ k řízení toku elektronů. V experimentu vědci navrhli zařízení, které by mohlo regulovat tok elektronů z jednoho konce na druhý aplikací napětí, v podstatě druhu tlaku, který tlačí elektřinu přes materiál, který fungoval jako druh elektronové brány. Když napětí dosáhne určité prahové hodnoty, zhruba poloviny voltu, materiál začne vstřikovat elektrony přes bránu ze zdrojového redoxního materiálu do materiálu kanálu.

„Nová strategie redoxního hradlování nám umožňuje modulovat tok elektronů enormně i při nízkých napětích, což nabízí mnohem vyšší energetickou účinnost,“ řekl odborník na materiály z Argonne, Dillon Fong, autor studie. „To také zabraňuje poškození systému. Vidíme, že tyto materiály lze opakovaně cyklovat téměř bez snížení výkonu.“

„Režim subvoltů, ve kterém tento materiál funguje, je nesmírně zajímavý pro výzkumníky, kteří chtějí vytvořit obvody, které by fungovaly podobně jako lidský mozek, který také pracuje s velkou energetickou účinností,“ řekl.

Článek byl upraven podle tiskové zprávy AAAS.