В промышленности высоких технологий по прежнему залогом успеха высокотехнологичного инновационного продукта является применение высокоэффективных микроэлектронных компонентов

При этом неизменными остаются базовые технические требования к указанным компонентам , основными из которых являются максимально возможная микроминиатюризация, максимально возможная надёжность , устойчивость к внешним воздействиям, простота технологического процесса изготовления и невысокая стоимость

В первую очередь обратимся к исследованиям , открывающим путь к созданию принципиально новых источников питания , как важнейших компонентов микроэлектронных систем

Разработчики новой техники как правило в сегодняшних условиях , диктующих повсеместную экономию электроэнергии и максимально возможное применение так называемых зелёных технологий , в основном характеризующихся получением электроэнергии от солнечного света

Кремний , как базовый материал для солнечных батарей становится всё более дефицитным и это определяет ценность следующих исследований и экспериментов

Физики из Университета Пенсильвании создали тонкие кремниевые оптические волокна, которые способны улавливать свет и производить из него электричество. Работа ученых опубликована в журнале Advanced Materials, а ее краткое содержание приводится в пресс-релизе университета.

Исходно команда авторов работала над проблемой соединения оптических волокон с плоскими кремниевыми микросхемами. Однако, в ходе исследования выяснилось, что на основе кремния можно создать волокна с интегрированными электронными компонентами.

На поперечном срезе видно, что волокна фактически состоят из трех классических полупроводниковых зон. При облучении светом, такие волокна генерируют электричество, хотя эффективность этого процесса в сообщении не указывается.

Благодаря своей тонкости (их диаметр составляет около 10 микрометров), волокна могут не повреждаясь, легко сгибаться. Авторы надеются, что такие волокна можно будет сплетать в нити для создания электрогенерирующих тканей. На данный момент длина изготавливаемых волокон составляет около метра, но, по словам исследователей, может быть увеличена до 10 метров.

Подавляющее большинство существующих солнечных панелей создаются из кристаллического или аморфного кремния. Последний допускает создание устройства с некоторым уровнем гибкости.

Эффективность преобразования света в электричество лучших из солнечных батарей составляет на данный момент около 40 процентов. Также, сейчас активно ведутся разработки панелей, где углеродные нанотрубки и графен частично или даже полностью заменяют кремний и металлические электроды.

Постоянно ужесточающиеся требования к фотоэлектронным системам и устройствам , заставляют искать новые эффективные решения в области техники фотоэлементов

Инженеры Стенфордского университета создали первый в мире фотоэлемент, полностью состоящий из различных соединений углерода. Работа ученых опубликована в журнале ACS Nano, а ее краткое содержание можно прочитать на сайте университета.

За поглощение света в устройстве отвечают углеродные нанотрубки и фуллерены - шарообразные соединения углерода C60. В отличие от кремния, они способны эффективно поглощать не только видимый свет, но и инфракрасное излучение.

Ранее другая группа исследователей уже использовала углеродные нанотрубки для создания фотоэлементов вместо кремния. Однако, на этот раз из углерода были сделаны и электроды, отводящие образующееся в устройстве электричество.

Обычно для этого в пленочных солнечных панелях используются металлы и оксиды индия и олова. В новом устройстве инженеры заменили их на графен - одноатомное соединение углерода. Благодаря своей тонкости он прозрачен для света, но при этом хорошо проводит электричество.

Эффективность прототипа новой солнечной батареи пока невелика - менее одного процента. При этом лучшие на сегодняшний момент фотоэлементы преобразуют свет в электричество с эффективностью до 24 процентов.

Тем не менее, по словам авторов, эффективность углеродных панелей можно значительно увеличить. В то же время, стоимость редких металлов, необходимых для производства традиционных фотоэлементов, в обозримом будущем будет только расти.

Уже несколько лет специалисты , для компенсации и преодоления дефицита кремния пытаются уменьшить толщину аморфного кремния в фотоэлектрических устройствах

Инженеры показали, что толщину слоя аморфного кремния в фотоэлементах можно уменьшить, если разместить его в складках диэлектрика. Работа опубликована в журнале Nano Letters, ее краткое содержание можно прочитать на сайте Университета Северной Каролины.

Ученые установили, что слой аморфного кремния эффективнее поглощает солнечный свет и преобразует его в электричество, если придать ему форму складок. Слой кремния толщиной около 70 нанометров, имеющий форму складок, поглощает такую же долю излучения, как и плоский слой толщиной 400 нанометров.

Слой аморфного кремния авторы помещали в "сэндвич" между двумя слоями диэлектрика. Для этого сначала на поверхности диэлектрика при помощи классической фотолитографии получали микроскопические складки, а затем на них напыляли слой аморфного кремния. Сверху наносился еще один слой диэлектрика.

Ученые показали, что эффективность разработанной схемы зависит прежде всего от соотношения толщины слоев кремния и диэлектрика, а не от их химической природы. Такая же конструкция может быть применена и для повышения чувствительности фотодетекторов, сенсоров, твердотельных светодиодов.

Ранее инженеры из Массачусетского технологического института показали, что слой кремния в фотоэлементах можно уменьшить, если наносить его в форме микроскопических обращенных пирамид. Для создания такой структуры авторы также применяли метод фотолитографии, но фотоэлементы, которым была посвящена работа, состояли не из аморфного, а из кристаллического кремния.

Исследователи также обратились к композитным материалам для возможной замены кремния в панелях солнечных батарей

Этим вопросом занимаются сотни небольших исследовательских групп и старт-ап компаний

Другая независимая группа исследователей недавно разработала состоящие из углеродных нанотрубок солнечные батареи, которые способны поглощать инфракрасное излучение. Оно несет около 40 процентов энергии солнца, но не используется в фотоэлементах на кремнии. Исследователи предложили использовать углеродные солнечные батареи в качестве дополнительного внешнего слоя перед кремниевыми.

Особый интерес в этом научно-технологическом направлении представляют работы способствующие развитию направления использования органики в принципиальных схемах и конструкции солнечных батарей

Физики из Японии и Австрии создали сверхтонкие - около 1,5 микрометра толщиной - органические солнечные батареи. Статья ученых появилась в Nature Communications.

Новая батарея представляет собой несколько слоев органических прослоек - например, из политиофена, - соединенных вместе. С обеих сторон батарея покрыта лавсановой пленкой, защищающей органику от повреждений. Поверх пленки напылением нанесены электроды, а также эластичные полоски, которые обеспечивают батарее гибкость и предохраняют электроды от разрывов.

По словам исследователей, в лабораторных условиях пленка превращает в электричество до 4 процентов энергии падающего на нее света. Несмотря на то, что этот показатель ниже, чем у некоторых кремниевых батарей, по соотношению вес-производительность эти батареи заметно превосходят своих полупроводниковых конкурентов. Сами исследователи говорят, что их изобретение найдет применение при создании, например, беспилотников.

Разработка австрийцев и японцев актуальна и потому, что в настоящее время активно ведутся разработки по созданию летательных аппаратов, работающих на энергии солнечного света. Самый известный пример - самолет на солнечных батареях Solar Impulse. Летом 2010 года он установил рекорд пребывания в воздухе, проработав без перерыва в небе над Швейцарией 26 часов 10 минут и 19 секунд

Особый эффект вызывает применение нано технологий для решения вопроса эффективной модификации солнечных батарей

Американские физики из Стэнфордского университета разработали технологию создания кремниевых наносфер, использование которых позволяет значительно увеличить эффективность солнечных батарей. Статья ученых появилась в журнале Nature Communications, а ее краткое изложение приводит само издание.

На первом этапе работы были изготовлены шары из чистого кварца. После этого шары покрыли кремнием и с помощью плавиковой кислоты вытравили кварц изнутри полученных конструкций. В результате в распоряжении ученых оказались кремниевые сферы диаметром несколько нанометров. На основании полученных сфер были созданы солнечные батареи.

По словам исследователей, сферы позволяют значительно увеличить количество поглощаемого батареями света, благодаря эффекту "шепчущих галерей". Речь идет о том, что в некоторых помещениях шепот в одной точке прекрасно слышен в другой, достаточно удаленной. Это связано с явлением резонанса при распространении звука (стоячими резонансными модами).

Благодаря этим модам, ученым удалось "запереть" внутри сфер больше света, чем если бы структура батареи была сплошной. Эффективность батареи из 50-нанометрового слоя сфер была сопоставима с эффективностью батареи толщиной в микрон. При этом для некоторых длин световых волн удалось добиться поглощения на уровне 75 процентов.

По мнению ученых, новая технология может быть востребована при создании эффективных солнечных батарей. В частности, она позволяет уменьшить количество материала, используемого при создании таких батарей, и, как следствие, массу. Физики надеются, что уменьшение расхода материалов позволит использовать при производстве батарей дорогостоящие соединения.

В конце декабря 2011 года в Physical Review Letters появилась работа, в которой ученые предлагали схему разделения экситонов (квазичастицы в материале, состоящие из электрона и дырки) при помощи углеродных нанотрубок. Это разделение играет ключевую роль в возникновении электрического тока в фотовольтаических батареях.

Теперь несколько слов о интегративных технических решениях, которые могут в принципе стать основой для микроэлектронных систем в ближайшей перспективе , особенно в бурно развивающейся технике для био-медицинских аппликаций

Швейцарские инженеры научились создавать композитные материалы с переменной эластичностью, которые могут пригодиться для создания гибкой электроники. Работа ученых опубликована в журнале Nature Communications, а ее краткое содержание приводит LiveScience.

Создание эластичной электроники требует защиты тех частей устройства, которые не могут растягиваться, например интегрированных микрочипов. В то же время, прямое соединение хрупких и эластичных компонентов приводит к тому, что при растяжении такие устройства рвутся в местах соединения.

Швейцарские инженеры предложили решить эту проблему, создав материал с эластичностью, плавно меняющейся от точки к точке. Для этого они использовали композитный материал - полиуретан с наполнителем.

Варьируя количество наполнителя, авторы могли делать различные части материала более или менее эластичными. При этом механические свойства в разных частях одного материала отличались на пять порядков.

В качестве прототипа инженеры изготовили эластичную повязку с интегрированным светодиодом, которая могла растягиваться более чем в три раза. Светодиод был окружен в устройстве зоной низкой эластичности, которая при растягивании предотвращала его повреждение.

Авторы считают, что подобные материалы могут пригодится не только для создания гибкой электроники, но и для протезирования сухожилий, которые также имеют переменную эластичность.

Недавно японские инженеры представили ткань с интегрированными светодиодами, которая, также как и новый материал, обладала гибкостью, однако не могла растягиваться.

Для обеспечения максимальной адаптивности новейших технологий с действующими , уже ставшими привычными технологиями, появились интереснейшие разработки принципиально новых компонентов микроэлектронных систем , обладающих небывалой до сегодняшнего времени гибкостью

Корейские инженеры создали гибкие батареи и на их основе собрали первое полностью сгибаемое электронное устройство. Работа опубликована в журнале Nano Letters, ее краткое содержание можно прочитать на сайте EurikAlert.

Устройство представляет собой литий-ионную батарею с неорганическими электродами, нанесенными на гибкую подложку. При его изготовлении электроды сначала формируют на слюде, а затем переносят на пластик - полидиметилсульфоксан. При этом, метод переноса нетребователен к материалу, из которого изготовлены сами электроды.

Созданная корейскими учеными батарея способна сгибаться с радиусом около 3 миллиметров, не меняя напряжения вырабатываемого электричества. В процессе испытания устройства его сгибали более 20 тысяч раз, но это практически никак не изменило показаний вольтметра, подключенного к батарее.

В порядке эксперимента исследователи подключили к батарее гибкий светодиодный дисплей и собрали, таким образом, первое полностью сгибаемое электронное устройство в мире.

Литий-ионные батареи давно рассматриваются инженерами как хорошие кандидаты для изготовления гибких устройств питания. Сложности, которые возникают при их изготовлении, связаны прежде всего с электродами, которые должны при сгибах сохранять хороший контакт с электролитом.

Для этого ученые пытаются использовать либо гибкие органические проводники, либо тонкослойные неорганические проводники. Недостатки первых связаны с низкой стабильностью, вторых - с трудностью переноса на гибкую подложку.

Физики также разработали новый способ получения графеновых нанолент с гладкими краями и заданными энергетическими характеристиками, что делает их пригодными для создания электронных приборов нового поколения. Работа исследователей опубликована в журнале Nature. Коротко о ней пишет портал Physics World.

Графен - моноатомный слой углерода, обладающий необычными электронными и механическим свойствами. Он был создан в 2004 году.

Ученые считают графен перспективным материалом для разработки электронных приборов наноразмера, которые в будущем могут "потеснить" традиционные полупроводниковые приборы. Хотя графен превосходит полупроводники в легкости, прочности и подвижности носителей электрического заряда, он не обладает в естественном состоянии так называемой запрещенной зоной.

Запрещенная зона, или щель, - это разница между максимальной энергией валентных электронов атома (то есть участвующих в образовании химических связей) и минимальной энергией электронов проводимости - тех электронов, которые могут под действием внешнего электрического поля отделиться от своего атома и участвовать в коллективном движении, создавая ток.

Ширина запрещенной зоны определяет проводящие свойства материала - поле, приложенное к материалу, чтобы он начал проводить ток, должно сообщать электронам энергию не меньше ширины запрещенной зоны для того, чтобы они смогли покинуть ее. Благодаря наличию запрещенной зоны полупроводники широко используются в электронике.

Для придания полупроводниковых свойств графену его изготовляют в форме тонких лент: благодаря квантово-размерному эффекту движение электронов по ним ограничено одним направлением, соответственно их энергия имеет строго определенные уровни и запрещенную зону.

Раньше для изготовления графеновых лент использовались в основном технологии "сверху вниз": отшелушивание от графеновых массивов или развертывание и разрезание углеродных нанотрубок. Неровные края таких лент сильно ухудшают их проводящие свойства и затрудняют исследование и контроль их характеристик.

Новая технология относится к так называемым методам "снизу верх", или химическим методам. На подложку из золота или серебра напыляется слой углеродсодержащих циклических мономеров, которые затем сцепляются в полимеры.

Система полимеров подвергается нагреву, в результате чего формируются углеродные ленты толщиной в один атом, ровные или зигзагообразные, в зависимости от состава исходных веществ. Ширина таких лент составляет от 10 до 50 нанометров, а ширина их запрещенной зоны достаточна для задач электроники.

Более того, края таких лент ровные, с минимальными включениями сторонних атомов, а это сильно улучшает их проводимость и создает возможность исследования магнитных свойств малоразмерных объектов в зависимости от формы края.

По этой же технологии в будущем ученые планируют изготовлять ленты графена с вкрапленными атомами азота и бора, которые будут создавать дополнительные уровни энергии и варьировать электронные свойства лент, а также получать гетеропереходы - соединенные ленты разной толщины (то есть с разными запрещенными зонами).

Все эти структуры могут найти применение в солнечной энергетике и высокочастотных устройствах.

... продолжение следует ...