Tradiční pohled na materiálovou fyziku velí, že pokud nějaký materiál vlivem změny vnějších podmínek ztratí své vlastnosti, dá se s tím dělat jenom velmi málo. Velmi zjednodušeně a s nadsázkou to lze přirovnat například k dřevu - pokud víme, že dřevo hoří při 700-1100 °C, jde logicky o zcela nevhodný materiál pro stavbu vysokých pecí.

Lze samozřejmě namítnout, že je dřevo možné před ohněm chránit celou řadou úprav včetně těch povrchových, a tak podmínky hořlavosti zhoršit či teplotu vznícení oddálit. Stejně jako lze dodat, že právě díky existenci odolnějších látek nemusíme nad extrémní úpravou dřeva přemýšlet.

Problém nastává v okamžiku, kdy v ilustrativním příkladu stejně efektivní materiál schází. V hypotetickém světě, který by neznal ocel, by nejspíše dřevo bylo předmětem celé řady studií snažících se o jeho absolutní protipožární odolnost.

Pro odolnější materiály

Zatímco ve skutečném světě v případě vysokých pecí můžeme po odolnějších materiálech samozřejmě sáhnout, totéž neplatí nutně o extrémních teplotách v případě počítačů. A nemusí zůstat jenom u nich. Fúzní energie je dnes stále na míle vzdálená praxi, teploty uvnitř reaktorů však mají dosahovat milionů stupňů Celsia, a ke slovu tak musejí přijít i nové materiály či unikátní kombinace materiálů starých.

Právě zde přicházejí ke slovu nové povlaky, které "tak trochu" jako povrchová úprava dřeva mohou naučit staré materiálové psy novým kouskům.

Potenciální vyšší redundanci elektroniky by skrze jejich výzkum by mohl napomoct u český výzkum Společné laboratoře optiky Akademie věd a Univerzity Palackého z Olomouce.

Tomu se podařilo pro aplikační potenciál zdokonalit karbid křemíku (SiC), tedy slibný materiál pro vysokoteplotní informatiku schopný chemické inertnosti i modifikovatelných optickoelektrických vlastností.

Zjednodušeně lze říct, že ze SiC by se v budoucnu mohly konstruovat například počítače kosmických sond prolétajících extrémními podmínkami. Karbid křemíku má však k ideálu daleko a jeho velkým problémem je i křehkost, které dosahuje po vystavení vysokých teplot. Olomoucký tým však objevil a ozkoušel metodu, která by tomu mohla zamezit. Stačilo přidat dusík.

"Dopování SiC dusíkem, a tak vytvoření 3D struktury SiCxNy, vedlo nejen k zlepšení odolnosti materiálu, ale naopak překvapivě zvýšení odolnost po vystavení vysokým teplotám," říká k výsledkům české studie vydané ve Scientific Reports její spoluautor Jan Tomáštík.

Scratch testing vzorků | zdroj: Společná laboratoř optiky / AV / UPOL

Pekelná odolnost v pekelných podmínkách

"Lidstvo umí s křemíkem divy, vždyť je na něm postavená celá naše elektronika," pokračuje Tomáštík, "Přizpůsobení těchto technologií pro SiC a SiCN je tedy nasnadě. Námi zjištěná vysokoteplotní odolnost SiCN vrstev se pak velmi uplatní například v obložení budoucích fúzních reaktorů, které vyžaduje extrémně teplotně odolné materiály."

Olomoucký výzkum probíhal průběžně v období zhruba deseti let. Na počátku jeho autoři vyrobili SiCxNy vrstvy s různou koncentrací dusíku s cílem otestovat správný "recept" pro nejodolnější variantu. "V následujících letech jsme pak ve spolupráci s dalšími kolegy z Evropy i USA prováděli veškeré možné testy struktury, chemického složení, mechanických vlastností a odolnosti, a to, jak se všechny měnily po vysokoteplotním žíhání," popisuje Tomáštík.

Výsledný SiCN materiál pak zůstává amorfní i při teplotě 1100 °C a zachovává si dobré vlastnosti i při 900 °C.

Do praktické aplikace ve fúzních reaktorech či sondách je samozřejmě velmi daleko a bude stát na jiných vědcích, prozatím je česká práce úvodní mechanickou studii bez testování elektrických vlastností - jinými slovy, česká SiCN keramika přímo základem budoucích počítačů být ještě nemusí. Ilustruje však, že možnosti při odolnější vybavení kosmických sond zítřka tu jsou.

Vedle vylepšení kapacit "standardních" kosmických sond nalezne odolnější elektronika například i uplatnění ve spekulované sondě pro Venuši, popřípadě u nanosond projektu iniciativy Starshot. Podobně jako praktické uplatnění české SiCN keramiky však i tyto mise proběhnou nejdříve v příštích desetiletích.

Právě na Venuši v prostředí vysokého tlaku a vroucí atmosféry kyseliny sírové nedokáže klasická elektronika vydržet. I sama NASA tak testovala SiC elektroniku v prostředí simulovaných podmínek Venuše, kde SiC elektronika prokázala podstatně vyšší odolnost.

SiC čip z dílny NASA (2017) | zdroj: NASA

Žhavý povrch druhé planety sluneční soustavy má totiž na moderní elektroniku doslova fatální vliv. Pokud teplota vzroste nad 150 až 200 °C, dnešní polovodiče ztrácejí své schopnosti a mění se na čisté vodiče. Venuše přitom disponuje povrchovou teplotou kolem 460 °C.

Velmi aktivní chlazení může být jen dočasným řešením, které limituje životnost sondy na desítky minut, maximálně jednotky hodin. Uvážíme-li, že rovery NASA jsou "zvyklé" jezdit po Marsu i víc než desetiletí, několikahodinová mise na Venuši ve srovnání s tím skoro postrádá smysl.

NASA proto ve spolupráci s univerzitami hledá látky, které si udrží polovodičové vlastnosti i za vysokých teplot.

Rok nazpět se takto podařilo vytvořit jednoduchý čip o 24 tranzistorech rovněž na bázi karbidu křemíku (SiC), který v simulovaných podmínkách Venuše přežil 21 dní. Stále to není ekvivalentní podmínkám na Marsu, oproti sovětské sondě Veněra, která na Venuši vydržela zhruba 90 minut, to je ovšem znatelný pokrok. Ani tento čip z logických důvodů ještě na Venuši nepoletí - právě podobnými postupnými krůčky se však otevírají další možnosti budoucího uplatnění.

Výzkum olomouckého týmu byl publikován ve Scientific Reports.