Будущее покрытий в квантовых вычислительных устройствах и высокотехнологичной электронике
Растущая роль передовых покрытий в квантовых вычислениях и высокотехнологичной электронике
По мере того, как квантовые вычисления переходят от теоретической физики к коммерческой реальности, а высокотехнологичная электроника продолжает уменьшаться в размерах, одновременно увеличиваясь в сложности, материалы, которые защищают и улучшают эти системы, стали критической областью инноваций. Покрытия больше не являются просто пассивными барьерами; они являются активными источниками производительности, стабильности и новой функциональности. От сохранения хрупких квантовых состояний кубитов до защиты чувствительной электроники от воздействия окружающей среды, передовые покрытия формируют будущее двух самых быстро развивающихся областей в технологии.
В этой статье рассматриваются конкретные проблемы, с которыми сталкиваются квантовые вычислительные устройства и передовая электроника, типы покрытий, разрабатываемых для решения этих проблем, и то, что ждет впереди, поскольку материаловедение расширяет границы того, что могут достичь технологии покрытия.
Уникальные требования квантовых вычислительных устройств
Квантовые компьютеры используют принципы суперпозиции и запутанности для выполнения вычислений, которые невыполнимы для классических машин. Сердцем любого квантового процессора является кубит, единица квантовой информации, которая чрезвычайно восприимчива к возмущению. Экологический шум — колебания температуры, электромагнитные помехи, колебания решетки и даже бродячие атомы — может привести к тому, что кубиты потеряют свое квантовое состояние в процессе, называемом декогеренцией. Чтобы сохранить время когерентности достаточно долго, чтобы запустить значимые квантовые алгоритмы, физическая среда, окружающая кубиты, должна быть безупречно контролируемой.
Именно здесь специализированные покрытия становятся незаменимыми. Они служат первой линией защиты от деградации окружающей среды, и во многих случаях они активно усиливают квантовые свойства устройства. Покрытия, используемые в квантовых системах, должны работать при криогенных температурах, часто ниже 100 мК, где обычные материалы ведут себя по-разному. Они должны способствовать незначительным уровням потери микроволновой печи, магнитного шума и диэлектрического рассеивания — параметров, которые разрушат когерентность кубита, если не будут тщательно управляться.
Сверхпроводящие покрытия для снижения электрического сопротивления
Многие квантовые процессоры, особенно основанные на сверхпроводящих трансмоновых кубитах, полагаются на сверхпроводящие материалы для переноса тока без сопротивления. Сверхпроводящие покрытия, часто изготовленные из ниобия (Nb), тантала (Ta) или алюминия (Al), осаждаются на поверхности устройства для формирования пластин конденсатора, межсоединений и резонаторов структур кубита. Эти покрытия спроектированы с чрезвычайно низким сопротивлением поверхности и высокой кинетической индуктивностью, которая непосредственно влияет на агармоничность и когерентность кубита. время.
Недавние исследования в таких лабораториях, как MIT и Чикагский университет, показали, что выбор сверхпроводника и качество тонкопленочного покрытия являются одними из наиболее важных факторов, ограничивающих срок службы кубита. Например, замена алюминия танталом может резко сократить количество дефектов двухуровневой системы (TLS) на интерфейсе, увеличивая время когерентности T1 с десятков микросекунд до сотен микросекунд. Это указывает на будущее, где сверхпроводящие покрытия адаптированы в атомном масштабе для устранения источников дефектов.
Внешняя ссылка: Природа — «Танталовые пленки улучшают когерентность кубитов»
Диэлектрические покрытия для изоляции и щита
Диэлектрические материалы обеспечивают электрическую изоляцию между проводниками, но в квантовых устройствах они являются обоюдоострым мечом. Каждый диэлектрический слой вносит потерю от дефектов TLS, которые поглощают и повторно излучают энергию на микроволновых частотах, вызывая дефазирование кубита. Поэтому диэлектрические покрытия для квантовых применений выбираются для их исключительно низкого касательного потерь. Аморфный диоксид кремния (SiO2), нитрид кремния (Si3N4) и оксид алюминия [[Al2O3), осажденный с помощью осаждения атомного слоя (ALD) являются общими. Эти покрытия должны быть тонкими — часто всего несколько нанометров — чтобы минимизировать паразитную емкость, обеспечивая при этом отличную изоляцию и защиту от коротких замыканий или накопления заряда.
Специализированный вариант — диэлектрический резонансный экран , используемый для изоляции кубитов от паразитических электромагнитных режимов, которые могут вызывать перекрестные разговоры между соседними кубитами. Эти щиты наносятся на чип-пакет и на саму подложку для подавления ложных резонансов, которые в противном случае ограничивали бы точность затвора.
Внешние ссылки: IEEE Транзакции — «Диэлектрики с низкими потерями для сверхпроводящих кубитов»
Анти-отражающие покрытия для оптики и фотонных интерфейсов
Многие архитектуры квантовых вычислений включают фотонные компоненты — например, для считывания состояний кубита оптически или для взаимодействия с квантовой памятью в системах с захваченными ионами. Антибликовые (AR) покрытия применяются к линзам, волноводам и волоконно-оптическим соединителям для максимизации эффективности передачи фотонов. В квантовых системах каждый потерянный фотон представляет собой упущенную возможность измерения, снижая общую точность вычислений. AR покрытия спроектированы для работы над конкретными полосами пропускания (например, ближние инфракрасные для NV-центровых кубитов) и при криогенных температурах, где изменяется коэффициент преломления материалов. Многослойные ] помехи с использованием чередующихся слоев с высоким и низким индексом, таких как TiO2 и SiO2, являются общими, но исследования изучают наноструктурированные покрытия с молью, которые уменьшают отражения в более широком спектре.
В дополнение к покрытиям AR металлические зеркала с улучшенными отражающими покрытиями используются в оптических полости, которые ограничивают фотоны для генерации запутывания. Эти зеркала требуют покрытий, которые поддерживают отражательную способность выше 99,999% при криогенных температурах при добавлении минимальной тепловой массы.
Защитные и экологические барьерные покрытия
Помимо непосредственных электрических и оптических функций, квантовые устройства должны быть защищены от загрязнения во время изготовления и эксплуатации. Даже один монослой воды или углеводорода на поверхности кубита может вызвать значительную декогеренцию. Герметические барьерные покрытия — часто тонкие пленки Al2O3 или HfO2, осаждаемые ALD — инкапсулируют устройство для предотвращения окисления и адсорбции атомов примесей. Кроме того, многие квантовые чипы собираются в ультра-высоких вакуумных (UHV) камерах, но покрытия, которые выдыхаются из поверхностей чипа, могут деградировать вакуум с течением времени. Покрытия, следовательно, должны быть выбраны для низкого давления пара и высокой химической стабильности.
В новой области топологических квантовых вычислений , которая опирается на алюоны и неабелевскую статистику, материалы подложки и покрытия должны быть чрезвычайно чистыми, чтобы избежать нарушения деликатной топологической защиты. Исследовательские группы теперь используют эпитаксиальные тонкие пленки, выращенные на InAs или InSb нанопроволоки, с точно контролируемыми поверхностными покрытиями для стабилизации режимов майорана-ноль.
Покрытия в высокотехнологичной электронике: за пределами квантового мира
В то время как квантовые вычисления расширяют границы чувствительности, традиционная высокотехнологичная электроника одновременно выталкивается в крайности миниатюризации, плотности мощности и устойчивости к окружающей среде. Покрытия в этой области выполняют множество ролей: механическая защита, электрическая изоляция, управление температурой, коррозионная стойкость и даже активный контроль поверхностных свойств, таких как смачиваемость или электростатический разряд.
Коррозия и защита окружающей среды
По мере того, как мобильные устройства, носимые устройства и датчики IoT становятся повсеместными, они подвергаются воздействию влаги, пота, солевого спрея и химических загрязнителей. Конформные покрытия , полученные из , полиуретаны или акриловые материалы применяются к целым печатным платам (PCB) в тонком слое, обычно толщиной 25-75 мкм, для защиты от влажности и проводящей ионной миграции. Для экстремальных условий — датчики под водой, автомобильная электроника под капотом или аэрокосмическая авионика — более прочные паровые покрытия (полипара-ксилилен) осаждаются с помощью химического осаждения, обеспечивая безотбойные барьеры с отличной диэлектрической прочностью и химической инертностью.
Недавняя тенденция заключается в принятии покрытий на основе графена для защиты от коррозии. Непроницаемость графена для газов и ионов делает его почти идеальным барьером, но проблемы в переносе на большие площади и контроле дефектов ограничили его коммерческое применение. Тем не менее, гибридные покрытия, которые сочетают графен с обычными полимерами, демонстрируют перспективы для высокопроизводительной электроники, которая должна противостоять агрессивным средам.
Термические покрытия для управления
Современные процессоры, усилители мощности и светодиодные массивы генерируют плотность тепла, которая может превышать 1 кВт / см2 в горячих точках. Эффективное рассеивание тепла требуется для предотвращения дросселирования и преждевременного отказа. Термические интерфейсные материалы (TIM) не всегда считаются «покрытиями», но тонкопленочные покрытия, такие как алмазоподобный углерод (DLC) , шестиугольный нитрид бора (hBN) и нитрид алюминия (AlN) применяются непосредственно для поверхностей для отмирания или радиаторов для улучшения распространения тепла. Покрытия DLC имеют теплопроводность 500-1000 Вт / м·К, конкурируя с медью, а также обеспечивают электрическую изоляцию. Они осаждаются плазменным химическим осаждением пара (PECVD) и могут быть узорчат
Материалы для фазового изменения (PCM) , применяемые в качестве покрытий на электронных корпусах, могут поглощать переходные тепловые шипы путем плавления, а затем постепенно высвобождать тепло по мере их повторной консолидации. Например, парафиновый воск, наполненный графитом, может покрываться аккумуляторными батареями или силовыми модулями в электромобилях для сглаживания тепловых нагрузок во время быстрой зарядки.
Электромагнитная интерференция (EMI) Щит
Поскольку связь 5G/6G, автомобильные радары и устройства IoT работают на более высоких частотах (мм диапазоны волн до 100 ГГц), экранирование EMI становится более сложным. Проводящие покрытия — такие как , заполненные серебристым эпоксидом , , никель-графеновые композиты , или , медные/металлизированные ткани — могут быть покрыты распылением на корпусах устройств или гибких схемах для обеспечения >70 дБ экранирования. Для оптически прозрачных устройств (например, сенсорные экраны, окна камеры), , покрытия из оксида индия-олова (], , но альтернативы, такие как , нанопроволочные сетки [[
В квантовом вычислительном оборудовании экранирующие покрытия EMI необходимы для изоляции криогенной управляющей электроники от шума соседних комнатно-температурных компонентов. Криосовместимые проводящие покрытия должны поддерживать свою проводимость при температурах милликельвина, где многие металлы становятся либо сверхпроводниками, либо имеют сниженную подвижность несущей. Для таких применений разрабатываются пользовательские сплавы Cu-Ni и Au-doped Ge пленки.
Гидрофобные и олеофобные покрытия
Покрытия для отвода воды и масла повсеместно используются в потребительской электронике — защита экранов, разъемов и акустических мембран от попадания жидкости. Фторированные полимеры, часто продаваемые под торговыми названиями, такими как DLC-F или Fluoropel, применяются путем осаждения паром или распыления покрытия для достижения углов контакта >110° для воды и >70° для масла. В высокотехнологичной электронике такие покрытия имеют решающее значение для медицинских имплантатов (предотвращение биообрастания), наружных датчиков (отлив льда и росы) и микрофлюидных устройств на чипе .
Недавнее продвижение - это скользкие жидкие пористые поверхности (SLIPS) , вдохновленные питчерской установкой, где тонкий слой смазочного масла заперт в пористом покрытии. Эти покрытия отталкивают почти любую жидкость, а также сопротивляются обледенению и бактериальной адгезии - свойства, которые могут быть ценными для будущих квантовых устройств, которые должны работать в чистой, сухой и стерильной среде.
Новые технологии покрытия на горизонте
Несколько новых технологий покрытия обещают дальнейшее преобразование как квантовой, так и обычной электроники в течение следующего десятилетия.
Атомное осаждение слоя (ALD): управление атомом за атомом
ALD стал методом нанесения ультратонких (субнанометровых) конформных покрытий с контролем толщины на атомном уровне. В квантовых вычислениях ALD используется для изготовления переходов Джозефсона и туннельных барьеров с точной стехиометрией. В высокотехнологичной электронике ALD позволяет использовать диэлектрики с высоким κ (HfO2, ZrO2) для передовых стеков затворов в транзисторах, и он исследуется для изготовления ферроэлектрического HfO2 для энергонезависимой памяти (FeRAM). Способность покрывать высокоаспектные характеристики отношения делает ALD необходимым для вспышки 3D NAND и сквозных силиконовых сред (TSV) в упаковке 3D-IC.
Самоисцеляющие покрытия
Покрытия, которые могут автономно восстанавливать механические повреждения - царапины, трещины или расслоение - становятся практичными. Микрокапсулы, содержащие целебные агенты (например, мономеры на основе силоксана), могут быть встроены в покрытие; когда трещина распространяется, капсулы разрываются и мономерные фитиляты в трещину, где он полимеризуется при воздействии влаги или ультрафиолетового света. Для высокотехнологичной электроники самозаживляющиеся покрытия могут продлить срок службы гибких дисплеев, пропеллеров дронов и роботизированных суставов. В квантовых системах самозаживляющееся покрытие, которое может запечатывать крошечные отверстия в вакуумном корпусе, будет меняющим игру для поддержания УГВ.
Умные и адаптивные покрытия
Представьте себе покрытие, которое изменяет свою теплопроводность в ответ на температуру или переключается с проводящего на изоляционное при приложении напряжения. Материалы с фазовым изменением (PCM), такие как диоксид ванадия (VO2), подвергаются переходу металл-изолятор около 68 ° C, что позволяет адаптивным тепловым переключателям. В квантовых криостатах такие покрытия могут динамически управлять потоком тепла между стадиями, уменьшая время охлаждения. Другие интеллектуальные покрытия включают электрохромные свойства или термохромные — полезные для оптических модуляторов в квантовых фотонных схемах.
Внешняя ссылка: Наука — «Материалы изменения фазы для терморегуляции»
Сотрудничество и путь вперед
Будущее покрытий в квантовых вычислениях и высокотехнологичной электронике не будет зависеть от какой-либо одной дисциплины. Материалисты должны работать рука об руку с физиками устройств, проектировщиками микросхем и инженерами-технологами для совместной оптимизации покрытия и архитектуры устройства. Например, идеальное сверхпроводниковое покрытие для кубита может иметь различные свойства материала, чем покрытие, наиболее подходящее для микроволнового соединения, и оба должны быть совместимы с одними и теми же литографическими процессами.
Открытый обмен данными о тангенсах потерь, плотности поверхностных дефектов и тепловых свойствах помогает ускорить цикл обнаружения. Инициативы, такие как QED-Qubit Collaboration и Национальная квантовая инициатива в Соединенных Штатах способствовали партнерским отношениям, которые обеспечивают быстрый прогресс в чистоте покрытия и воспроизводимости.
Заглядывая дальше, конвергенция квантовых вычислений и классической высокотехнологичной электроники, известной как «квантово-классические гибридные» системы, потребует покрытий, которые бесшовно функционируют в обоих доменах. Один чип может содержать сверхпроводящие кубиты, криогенную логику управления и оптический I / O, все из которых требуют различных стратегий покрытия, которые должны быть интегрированы без перекрестного загрязнения. Такие методы, как , селективный ALD и многоматериальная струйная печать , исследуются для создания нескольких покрытий на одной подложке с точностью нанометра.
Заключение
Продвинутые покрытия больше не являются просто запоздалой мыслью в дизайне квантовых компьютеров и высокотехнологичной электроники; они являются неотъемлемой частью самой физики устройства. Будь то сверхпроводящая пленка, которая определяет энергетический ландшафт кубита, диэлектрик, который должен быть практически без потерь, конформный барьер, который защищает от самых суровых условий, или самозаживляющийся слой, который продлевает срок службы, покрытия обеспечивают исключительную производительность, которую требует современная технология.
По мере того, как исследования продолжают расширять границы чистоты материала, качества тонкопленочной пленки и многофункционального поведения, мы можем ожидать, что покрытия станут еще умнее, более адаптивными и более специализированными. Результатом будет электроника, которая более надежна, более эффективна и более способна — и квантовые компьютеры, которые могут масштабироваться от хрупких лабораторных любопытств до мощных машин, которые решают проблемы, которые когда-то считались неразрешимыми.
Внешняя ссылка: Обзор технологий MIT — обновления квантовых вычислений