Nanomateriały i nanostruktury w elektronice

Obecnie praca nad nowymi materiałami nie zawsze zaczyna się w laboratorium technologicznym, ale przed ekranem komputera, gdzie możliwe jest zaprojektowanie i zbadanie nowych substancji. Fizyka komputerowe daje możliwość konstruowania struktur atom po atomie, znalezienia stabilnych układów o najciekawszych własnościach. Takie podejście ma zastosowanie również w materiałach stosowanych w elektronice, w której postępujący proces miniaturyzacji wymaga analizy położenia poszczególnych atomów do właściwej oceny przydatności proponowanych rozwiązań.

Celem prac jest komputerowa analiza własności nano-materiałów i nano-struktur zastosowanych w elektronice w oparciu o ich strukturę atomową. W pracy wykorzystane będzie oprogramowanie symulacyjne pozwalające na powiązanie struktury atomowej z własnościami użytecznymi podczas budowy struktur stosowanych w elektronice.

Szczególnie analizowane będą materiały dwuwymiarowe (2D) oraz nanodruty i nanocząstki. Historycznie pierwszym materiałem 2D, który miał zrewolucjonizować technologie elektroniczne był grafen. Badania nad nim  otworzyły perspektywy zastosowań dla nowych materiałów 2D [1,2].

Na liście aktualnie badanych materiałów 2D są m. in. materiały 2D jednopierwiastkowe oraz związki chemiczne. Konkretne materiały poddawane analizie wybrane zostaną wspólnie z osobą realizującą temat. Atrakcyjnym obszarem badań są materiały 2D do zastosowań w fotowoltaice.

W pracy wykorzystane będzie narzędzie QuantumATK firmy Synopsys specjalizującej się w systemach wspomagania projektowania struktur półprzewodnikowych. QuantumATK jest intensywnie rozwijany na przestrzeni ostatnich lat ze względy na to, iż elektronika zmuszona jest wkroczyć w projektowanie „atom-po-atomie” aby móc utrzymać dalszy rozwój. Narzędzie to umożliwia również analizę działania przyrządów półprzewodnikowych w nanoskali pozwalając na badanie m.in. tranzystorów tunelowych, nowoczesnych struktury wykorzystujących warstwy ferromagnetyczne. Realizacja tematu związanego z nano-materiałami umożliwi w kolejnych latach podjęcie zagadnień dotyczących projektowania już całych przyrządów przez analizę ich szczegółowej struktury atomowej.

[1] Glavin, N. R., Rao, R., Varshney, V., Bianco, E., Apte, A., Roy, A., ... & Ajayan, P. M. (2020). Emerging applications of elemental 2D materials. Advanced Materials, 32(7), 1904302.

[2] Gupta, A., Sakthivel, T., & Seal, S. (2015). Recent development in 2D materials beyond graphene. Progress in Materials Science, 73, 44-126.