AZ 
Mikrodalğalı elektronikada əldə edilən “qeyri-mümkün” aşağı itkili, tənzimlənən dielektrik
Sil Kacapyr, Kornell Universiteti tərəfindən
redaktə edən: Gaby Clark , rəy verən: Robert Egan
Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin
Metyu Baron, fəlsəfə doktoru, ’22, Kornellin İnterfeys Materiallarının Sürətləndirilmiş Realizasiyası, Təhlili və Kəşfi Platformasında nazik təbəqələrin yetişdirilməsi üçün molekulyar şüa epitaksi sistemindən istifadə edir. Kredit: PARADIM/Təqdim olunub
Kompüter ekranındakı nəticə qeyri-mümkün görünürdü. 2009-cu ilin bir gecəsi Neyt Orloff laboratoriyada tək başına oturmuşdu və Kornell Universitetinin Materialşünaslıq və Mühəndislik Bölməsinin Tiş Universitetinin professoru Darrell Şlom tərəfindən ona göndərilən eksperimental nazik təbəqələrdən götürülmüş ölçmələri təhlil edirdi.
“Mən stuldan sıçradım və ‘Evrika’ deyə qışqırdım”, – deyə o vaxtlar Merilend Universitetinin aspirantı olan Orloff bildirib. “Kompüterim dərhal masamdan düşdü, yerə çırpıldı və qulaqlıq yuvasını sındırdı.”
Orloffun həmin gecə gördüyü şey, 17 illik, bir çox institut və aspirant tədqiqatçı nəsillərini əhatə edən elmi səyahətə başlamağa kömək edəcəkdi.
Bu səyahət 15 iyunda çoxsahəli bir qrupun Nature Electronics jurnalında dərc olunmuş məqaləsi ilə başa çatdı və mikrodalğalı elektronikada ən çətin məqsədlərdən birinə nail oldu.
‘Dəli Ruddlesden-Popper şeyləri’
İyirmi ildən çoxdur ki, simsiz elektronika üçün daha yaxşı materiallar axtaran alimlər qaçılmaz görünən bir güzəştlə qarşılaşırlar: Material tənzimlənə bilən — gərginlik tətbiq etməklə elektrik xüsusiyyətlərini tələb olunduqda dəyişdirə bilən — və ya səmərəli ola bilər, istilik kimi çox az enerji itirə bilər. Hər iki xüsusiyyəti eyni anda əldə etmək simsiz rabitədə, radar sistemlərində, peyklərdə və mikrodalğalı siqnalları dəqiq idarə etməyə əsaslanan digər cihazlarda istifadə olunan komponentləri təkmilləşdirə bilər.Kolorado ştatının Boulder şəhərindəki Milli Standartlar və Texnologiya İnstitutunda Florian Bergmann və həmkarları tərəfindən istifadə edilən mikrodalğalı ölçmə qurğusu. Müəllif: Florian Bergmann/Təqdim olunub
Bu cür materialları tapmaq üçün 1999-cu ildə federal tədqiqat proqramı başladıldı. İştirak edən demək olar ki, hər bir elmi qrup – birindən başqa hamısı – bariy stronsium titanatından istifadə etməyə diqqət yetirirdi.
“Komandamız, əksəriyyətinin çıxılmaz bir yanaşma hesab etdiyi bu dəli Ruddlesden-Popper işləri üzərində işləyən yeganə komanda idi”, – Şlom dedi.
Ruddlesden-Popper nazik təbəqələri kimi tanınan laylı kristal materiallar mikrodalğalı tezliklərdə olduqca aşağı enerji itkisinə görə qiymətləndirilirdi. Lakin onların kristal simmetriyasının qəbul edilmiş anlayışına görə, onlar praktik cihazlar üçün lazım olan tənzimlənməni təmin edə bilməməli idilər.
“Biz bunu çox tənhalıqla izləyirdik, çünki simmetriya baxımından insanlar deyirdilər ki, ‘Bu şeyin itkisi az ola bilər, amma heç vaxt köklənməyəcək'”, – deyə Şlom bildirib.
Bu, 2009-cu ildə, hazırda Milli Standartlar və Texnologiya İnstitutunda fizik olan Orloffun geniş tezlik diapazonunda nazik təbəqələrin dielektrik xüsusiyyətlərini ölçmək üçün yeni bir texnika hazırladığı zaman dəyişdi. O zaman o, Şlom tərəfindən ona göndərilən potensial transformativ materialla işlədiyini bilmirdi.RP fazası və onun dielektrik xüsusiyyətləri haqqında proqnozlar. Müəllif: Nature Electronics (2026). DOI: 10.1038/s41928-026-01651-y
Orloff dedi: “Məsləhətçim Cim But bu materiallarla unikal xüsusiyyətlərinə görə maraqlanırdı, amma mənim üçün aspirant kimi sadəcə “nəzarət” və “bir, iki və üç” gördüm.”
Komandanın “evrika” anı, Orloffun Sr4Ti3O10 tərkibli , laylı Ruddlesden-Popper nazik təbəqəsi olan stronsium titan oksidinin ölçmələrindən birində diqqətəlayiq bir şey ortaya çıxdı: Güman edilən tənzimlənməyən material, əslində, tənzimlənə bilən ola bilər.
Orloff və Schlom üçün bu, həyəcanverici və elmi cəhətdən maraqlı bir tapıntı olsa da, material kommersiya baxımından praktik deyildi. Təsir yalnız elektrik sahəsinin materialın yan tərəfinə doğru hərəkət etdiyi müstəvidaxili həndəsədə özünü göstərirdi. Mikrodalğalı dövrələrdə istifadə edilən gərginlik tənzimlənən kondensatorlar kimi real cihazlar ümumiyyətlə müstəvidən kənar dizayn tələb edir ki, bu da elektrik sahəsinin filmdən şaquli olaraq hərəkət etməsini və daha kiçik, daha səmərəli komponentlərə imkan verməsini təmin edir.
Komanda öz tapıntılarını dərc etdi və növbəti on il ərzində Ruddlesden-Popper materiallarına qayıtmağa davam edərək, aşağı mikrodalğalı itkini qorumağın, eyni zamanda onları daha uyğun və daha praktik hala gətirməyin yolunu tapmağa çalışdı.
Rays Universitetinin Qabaqcıl Materiallar İnstitutunun əməkdaşlarından biri və direktoru Leyn Martinin komandanın nəyi təqib etdiyini ifadə edən bir ifadəsi var idi.
“Bu, onilliklərdir ki, müqəddəs qədəh olub”, – Martin dedi.
Qaydaları yenidən yazmaq
2009-cu il tədqiqatının nəticəsi problemi həll etmək əvəzinə, onu yenidən müəyyənləşdirdi. Ruddlesden-Popper materialları tənzimlənə bilən görünürdü, lakin yalnız kompakt cihazlar sənayesinin istədiyindən çox uzaq bir həndəsədə.
Beləliklə, Şlomun qrupu daha radikal bir sual verməyə başladı: Tədqiqatçılar materialın özünün simmetriyasını dəyişdirə bilsəydilər necə olardı? Bu fikir, Kornell Universitetinin tətbiqi və mühəndislik fizikası üzrə mərhum dosenti Kreyq Fenninin hesablamaları göstərdi ki, nəzəri olaraq bariy, stronsium, titan və oksigendən hazırlanmış Ruddlesden-Popper birləşmələrinin müəyyən bir ailəsində simmetriyanı dəyişdirmək mümkün olmalıdır – bu proqnoz qrupun patent müraciəti etməsi üçün kifayət qədər ümidverici idi.
Kornell, Konnektikut Universiteti, Rays Universiteti, Merilend Universiteti, Boise Dövlət Universiteti və Milli Standartlar və Texnologiya İnstitutundakı əməkdaşları ilə birlikdə işləyən Şlom və o dövrdə doktorantura tələbəsi, 2022-ci ildə doktorantura təhsili almış Metyu R. Baron, diqqətlə aralıda yerləşən qaya duzu təbəqələrini yerləşdirərək materialın yeni bir versiyasını hazırladılar. Strategiya, materialın daxili qaydalarını effektiv şəkildə yenidən yazdı və Ruddlesden-Popper nazik təbəqələrini ilk növbədə cəlbedici edən aşağı itki xüsusiyyətlərini qoruyarkən praktik cihazlar üçün lazım olan müstəvidən kənar davranışı nümayiş etdirməyə imkan verdi.
İlkin təcrübələr komandanın bir şey üzərində işlədiyini göstərdi. Tədqiqatçıların ölçmələri göstərdi ki, material müstəvidən kənar ferroelektriklik nümayiş etdirir və bu da simmetriyanı pozma strategiyasının işlədiyini göstərir.
Bu nəticə vacib bir ipucu idi, amma kifayət deyildi. Aşağı tezlikli ölçmələr materialın düzgün elektrik davranışına uyğunlaşdırıla biləcəyini göstərdi. Komandanın hələ də bilməli olduğu şey, praktik cihazlar üçün müvafiq olan yüksək mikrodalğalı tezliklərdə eyni tənzimləmə qabiliyyətini aşağı itki ilə təmin edib-etməyəcəyi idi.
“Martinin qrupunun ölçmələrindən bilirdik ki, bu şey ferroelektrikdir”, – deyə Milli Standartlar və Texnologiya İnstitutunun fizik və məqalənin həmmüəllifi Florian Berqmann bildirib . “Bu, bizim səylərimizi davam etdirən və məni daha dərindən qazmağa inandıran şey idi.”
“Ümidsizlik çuxuru var idi”
Layihə bir ölçmə irəliləyişi ilə başlamışdı, lakin onu başa çatdırmaq üçün başqa bir irəliləyiş tələb olunurdu. Orloffun 2009-cu il texnikası orijinal nazik təbəqələrin tənzimlənə biləcəyini göstərmişdi, lakin yeni təyyarədən kənar cihazlar tamamilə fərqli bir metrologiya problemi yaratmışdı.
Müasir rabitə sistemləri üçün ən uyğun tezliklər dəqiq ölçülməsi ən çətin tezliklər arasındadır, çünki bu yüksək tezliklərdə materialdan gələn siqnal sınaq strukturunun özü – dielektriki əhatə edən metal elektrodlar, naqillər və həndəsələr tərəfindən təhrif edilə bilər. Beləliklə, tədqiqatçılar yeni Ruddlesden-Popper cihazlarını ilk dəfə mikrodalğalı tezliklərdə sınaqdan keçirəndə nəticələr çaşdırıcı idi.
“Məlumatları şərh edə bilmədik”, Orloff dedi. “Hər şey böyük həyəcanla başladı, sonra ümidsizlik çökəkliyi yarandı. Biz bu dönüşü döndərə bilmək istədik.”
Bir çox layihə üçün bu, son ola bilərdi. Bunun əvəzinə, komanda bu dəfə materialın özünü ölçmək üçün daha yaxşı bir yol icad etmək üçün illərlə davam edən bir səyə başladı.
Milli Standartlar və Texnologiya İnstitutunda o dövrdə doktoranturadan sonrakı tədqiqatçı olan Meagan Papac, materialı müstəvidən kənar, metal-izolyator-metal kondensator həndəsəsində ənənəvi texnikaların əlçatmaz tezliklərində xarakterizə edə bilən yeni bir metrologiya yanaşması hazırlamağa başladı. Tezliklə Bergmann və digər həmkarları ona qoşuldular və nəticədə gözlənilmədən sadə bir ideya irəli sürdü.
Berqmann dedi: “Ölçmənin necə işləməsinin sirri ondadır ki, heç nə ölçmədik. Biz cihazla eyni topologiyaya malik olan bir metal lövhəni – nəzarət cihazını ölçdük.”
Həmin idarəetmə strukturunun ölçülməsi komandaya əlavə bir kalibrləmə mərhələsi aparmağa, sınaq strukturunun özünün yaratdığı təhrifləri çıxarmağa və dielektrikin əsl mikrodalğalı reaksiyasını təcrid etməyə imkan verdi. Nəticə səs-küylü, anlaşılmaz görünən məlumatları mənalı bir şeyə çevirdi.
Berqmann dedi: “Uyğunluq əslində məlumatlardan keçdi. Məhz o an real material xüsusiyyətlərini çıxardığımızı anladıq.”
Bir çox müəllif arasında Şlom, Orloff, Berqmann, Martin, Barone, Papak və materialşünas Zişen Tianın da olduğu bu ölçmələr, qrupun 15 iyunda dərc olunmuş Nature Electronics məqaləsinin əsas mövzusuna çevrildi və tədqiqatçıların illərdir ümid etdiyini təsdiqlədi: Onların materialı real cihazlarla əlaqəli müstəvidən kənar həndəsədə güclü tənzimlənmə qabiliyyəti ilə olduqca aşağı mikrodalğa itkisini birləşdirdi. Onlar müqəddəs qədəhi tapmışdılar.
“Böyük bir razılaşma”
Tədqiqatçılar üçün bu kəşf sadəcə yeni bir materialdan daha çox şey ifadə edir.
Martin dedi: “Bu, mikrodalğalı tətbiqlər və ölçmələr üçün mövcud olan material siniflərini genişləndirə biləcək tamamilə yeni bir ötürmə qabiliyyəti açır. Material istehsalçıları və dizaynerlər birliyinin istədiyi budur və indi irəliyə doğru bir yolumuz var. Bu, çətin bir yoldur, amma mövcud olan bir yolumuz var.”
Layihəyə töhfə verən Pensilvaniya Dövlət Universitetinin aspirant tədqiqat köməkçisi Aiden Ross, nəticələrin tək bir dielektrikdən kənara çıxdığını söylədi.
Ross dedi: “İtkini idarə edə bildikdən sonra, bu, bir çox yüksək tezlikli tətbiqlərə qapı açır. Əgər polyarizasiyanı və dielektrik reaksiyanı idarə edə bilirsinizsə, onda bütün bu digər təsirləri də idarə edə bilərsiniz.”
Materialın özü nəticədə tənzimlənən filtrlərdə və kvant informasiya sistemlərində tətbiqini tapa bilər. Orloff bildirib ki, xüsusilə perspektivli iki istiqamət mikrodalğalı rezonatorlar və elektro-optik modulyatorlardır, bu cihazlar rabitə şəbəkələri üçün elektrik siqnallarını optik siqnallara çevirməyə kömək edir.
Orloff dedi: “İnternetin onurğa sütunu əslində elektro-optik modulyatorlardır. Bu texnologiyanın təyyarədən kənar tənzimləmə üçün nümayiş etdirilməsi növbəti nəsil cihazların bir neçə tətbiqini açır.”
Berqmann bildirib ki, bu iş həmçinin sənayenin tez-tez xam performans qədər dəyər verdiyi miqyaslılığa da işarə edir.
Berqmann bildirib ki, “Bu material xüsusiyyətləri çox homogendir ki, bu da ferroelektriklərdə təbii deyil. Bu, böyük bir məsələdir, çünki bir şirkət bir gün bir şey tikirsə, ertəsi gün eyni şeyi tikə biləcəklərinə inanmalıdır.”
Şlom üçün bu nailiyyət müxtəlif sahələrdə təcrübənin birləşdirilməsinin dəyərini vurğulayır. Qeyri-adi materiallar yaratmaq çətinliyin yalnız yarısıdır. Onların işlədiyini sübut etmək eyni dərəcədə qeyri-adi ölçülər tələb edir.
“Mən və qrupum materialların quruluşunu sözün əsl mənasında atom təbəqəsi səviyyəsində mühəndislik edirik – lakin təklikdə bacarıqlarımız maraqdan başqa bir şey deyil”, – deyə Şlom bildirib. “Komanda qurmağın sehri ondadır ki, o, ağlasığmaz şeylərə nail olmaq üçün imkanları birləşdirə bilər.”
Nəşr detalları
Florian Bergmann və digərləri, Simmetriyanın pozulması aşağı itkili, müstəvidən kənar tənzimlənən mikrodalğalı dielektrik yaradır, Nature Electronics (2026). DOI: 10.1038/s41928-026-01651-y
Jurnal məlumatı: Nature Electronics
Əsas anlayışlar
Yarımkeçirici cihaz istehsalıKornell Universiteti tərəfindən təmin edilir
