- Что такое молибденит, и какими свойствами он обладает?
- Молибденит - это давно известный минерал, широко распространенный по земному шару. Он является основным промышленным сырьем для производства металлического молибдена. По своей химической природе он представляет собой соединение молибдена и серы с формулой MoS2. Цветом он похож на обычный металл - типа стали. На воздухе молибденит нестабилен. Это значит, что при достаточно длительном контакте с атмосферой он реагирует с кислородом и парами воды, то есть происходит обычная химическая реакция окисления. В результате получается оксид молибдена MoO3, а в качестве побочных газообразных продуктов выделяются оксиды серы и сероводород. Вот рисунок, на котором изображён один из особенно красивых образцов природного молибденита. Звездчатые кристаллы молибденита вкраплены в окружающую породу.
Кристаллы молибденита, Нижняя Силезия, Польша
Основное специфическое свойство молибденита - это его выраженная слоистая кристаллическая структура. В плоскости слоев атомы молибдена и серы связаны прочными ковалентными связями, которые трудно разорвать. Но в направлении, перпендикулярном слоям, химические связи очень слабые и легко разрываются, например, при минимальном механическом воздействии. Если размять молибденит пальцами, то на коже останется слой с жирным металлическим блеском - это на поверхности застряли мелкие чешуйки молибденита. Это свойство широко используют в машиностроении для изготовления смазок для поверхностей, трущихся в вакууме. То есть по своим механическим свойствам молибденит подобен графиту и многим другим твердым веществам с выраженной слоистой структурой.
Другие физические свойства молибденита изучены в значительно меньшей степени. Конечно, мы знаем его основные параметры типа кристаллической структуры, плотности и электрической проводимости. Однако необходимо помнить, что определялись они, в основном, при изучении природных образцов молибденита, которые всегда содержат много примесей. Совершенно очевидно, что электронные и оптические свойства искусственно выращенных кристаллов молибденита могут значительно отличаться от параметров природных образцов.
- Молибденит и раньше использовали как полупроводник. Почему только сейчас появилась мысль применить его в микроэлектронике?
- На заре электроники не умели получать чистые полупроводниковые кристаллы. Сначала в поисках полупроводниковых веществ исследователи массово изучали материалы, лежащие под рукой. Молибденит действительно является полупроводником, что и было обнаружено давным-давно. На основе природных кристаллов удалось даже изготовить работоспособные приборные структуры, однако сколько-нибудь широкого применения они не нашли. Электронные свойства природных кристаллических минералов весьма отличаются от образца к образцу, так как состав и концентрация примесей сильно варьируются для различных месторождений. Развивать электронику на таких материалах невозможно. Как только в электронике появились германий и кремний, молибденит был основательно забыт, как и многие другие кристаллы с полупроводниковыми свойствами, применявшиеся на заре радиотехники. Точнее, эти материалы были уложены на полку, и все исследовательские ресурсы сконцентрировались на кремнии, германии, арсениде галлия. Однако физики про молибденит не забывали все это время, и как только началась эпоха слоистых углеродных материалов семейства графена, исследователи вполне логично обратились к рассмотрению и других слоистых материалов, которых известны сотни и тысячи. Молибденит среди них вызывает повышенное внимание. То есть в забеге графена и молибденита графену просто повезло стартовать в некоторым временным отрывом, не более.
- Если сравнивать его с кремнием, какие у него есть преимущества?
Пластинчатые кристаллы α-MoO (ИФП СО РАН, Новосибирск)
- Так ставить вопрос вообще неправомерно. Сначала нужно определить преимущества для чего? В качестве иллюстрации можно привести следующий пример. Сейчас в любом домашнем компьютере вы найдете кучу микросхем на основе кремния. Молибденита там нет и в помине, тут он кремнию очевидно не конкурент. Любой микроэлектронный материал описывается целой совокупностью физико-химических параметров и сравнивать различные полупроводниковые кристаллы между собой можно лишь при точной привязке к конкретному электронному прибору. Далее, при переходе к практическому применению, решающую роль играют такие факторы, как совокупность известных для избранного материала технологий и стыкуемость с другими материалами в составе микроэлектронных схем. Экономические ограничения также весьма немаловажны. Приведу общеизвестный пример. Быстродействие электронной схемы во многом определяется скоростью движения носителей заряда по кристаллической решетке. Физики называют это подвижностью носителей (электронов или дырок). Так вот в германии она значительно выше, чем в кремнии, соответственно, при прочих равных условиях компьютер на германиевых микросхемах будет работать в разы быстрее. Однако этого не будет никогда по очень простой причине - германия на Земле очень мало и экономически невыгодно создавать германиевую микроэлектронику. А кремния много - наша планета просто из него сделана. Во многом именно этот фактор в свое время определил выбор в пользу кремния.
Вернемся к молибдениту. Определенный ответ на ваш вопрос дать невозможно, так как свойства кремния и молибденита слишком различны. Кристаллическая решетка кремния относится к каркасному типу, и он принципиально не может обладать рядом свойств, которые типичны для слоистых материалов. С другой стороны, кремний механически жесткий, и из него делается (и будет делаться в обозримом будущем) основа современных микросхем - подложки. Молибденит с точки зрения механических свойств больше похож на плотную пачку бумажных листов и совершенно непригоден для использования в качестве несущих конструкций. Про более тонкое сравнение электронных и оптических свойств кремния и молибденита можно говорить бесконечно. Вывод: наноэлектроника молибденита или графена будет очень отличаться от микроэлектроники кремния, а принципиальная разница в материалах всегда порождает принципиально разные приборные решения.
- Изменилось ли что-то в технологии получения графена с тех пор, как А. Гейму и К. Новоселову дали Нобелевскую премию за исследование его свойств?
- Конечно изменилось - ответ очевиден. Известные свойства графена весьма экзотичны и во многом крайне привлекательны по сравнению с типичными полупроводниковыми кристаллами. Двумерность графена заведомо приведет к новым техническим решениям в наноэлектронике. Данная область физики конденсированного состояния развивается очень активно силами сотен исследовательских групп. На мой взгляд, ключевой проблемой сейчас является технология получения листиков структурно-совершенного графена значительной площади. Кроме того, необходимо научиться управлять шириной запрещенной зоны графенных материалов (у самого графена она нулевая). Что касается синтеза графенов, с одной стороны, получены площади графеноподобных пленок на площадях, вполне сравнимых с листом бумаги формата А4. С другой стороны, площади структурно-совершенного графена ограничены единицами и десятками квадратных микрометров. Такие объекты даже исследовать сложно. Ждем дальнейших успехов в этой области.
- Начать производство электронных устройств на основе нового материала - это очень дорого. Как вы думаете, при каких условиях это будет оправдано?
- Конечно, при наличии существенного экономического выигрыша. В современной конфигурации экономики это называется "ожидаемый процент прибыли". В электронике таким спусковым крючком обычно служит создание принципиально нового типа электронного прибора. Если такого прорыва не получается, то внедрение нового материала сильно растягивается во времени или вообще не происходит ввиду экономической нецелесообразности. Примеров тому масса и не только в микроэлектронике. Возьмем автомобильную промышленность. Все знают, что двигатель внутреннего сгорания, установленный во многих сотнях миллионов автомобилей является главным фактором загрязнения атмосферы Земли. Однако солнце сквозь автомобильную копоть еще видно, и, соответственно, автомобили продолжают выпускать в огромном количестве, поскольку с их производством и эксплуатацией связаны гигантские финансовые ресурсы. Тут уже вся экономика и политика вынуждена подстраиваться под нужды автомобильной индустрии. А финансовый сектор микроэлектроники в современном мире также не мал.
- Насколько сложна технология получения молибденита?
