Схема наизнанку

Какова роль редкоземельных металлов в современной электронике

Микросхемы для техники в диапазоне от стиральной машины до систем управления спутниками выполняют функцию мозгового центра. В этой статье мы расскажем, из каких материалов изготавливается электронная начинка и как полупроводниковая индустрия использует редкие элементы.

Не только кремний

По данным Министерства природных ресурсов Канады, в 2021 году основная часть добываемых РЗЭ* использовалась в изготовлении магнитов. Полупроводниковая промышленность за этот же период аккумулировала лишь 7,6% мирового спроса. Магниты применяются почти во всех видах электроники и как независимые компоненты, и в составе электродвигателей, динамиков, микрофонов и других устройств. Фактически в производстве любой техники напрямую или косвенно задействованы РЗЭ.

*РЗЭ — редкоземельные элементы

С чипами и создаваемыми из них микросхемами ситуация несколько иная. Дело в том, что базовым материалом для производства микросхем является кремний — второй по распространенности элемент земной коры после кислорода, обладающий свойствами полупроводника, которые позволяют контролировать и направлять потоки электронов.

Современные процессоры и чипы памяти состоят из полупроводников, но непосредственно в изготовлении этих компонентов редкоземельные металлы не используются. Однако ситуация может измениться в ближайшее время в связи с распространением так называемых квантовых компьютеров, кардинально отличающихся от классических своим наполнением и функционалом. Основой всех стандартных чипов являются транзисторы, которые либо имеют заряд (1), либо нет (0). Транзисторов в современных устройствах огромное множество. Эта двоичная система является языком компьютера, который применяется для ввода/вывода и расчета всей информации.

Кубиты — это квантовые транзисторы. Кубит может находиться в заряженном и незаряженном состоянии как последовательно, так и одновременно. Эта способность многократно увеличивает их вычислительную мощность в сравнении с классическими транзисторами.

Ученые тестируют технологии создания эффективных и стабильных кубитов, в том числе с использованием редких металлов. Вот некоторые направления:

Конденсаторы, разработанные на основе сверхпроводимости алюминия и ниобия при низких температурах, можно найти в первом коммерческом квантовом компьютере в мире IBM Quantum System One.
Технология захвата ионов редкоземельного металла иттербия. Ее внедряют Quantinuum, ionQ (IONQ), Alpine Quantum Technologies, eleQtron и другие проекты.
Применение европия в создании фотонных квантовых компьютеров. Над ними работают PsiQuantum, Xanadu и ORCA Computing.
Использование рубидия в проектировании вычислительных систем на базе так называемых ридберговских атомов. Разработкой занимаются компании ColdQuanta, QuEra и Pasqal.

На втором плане

РЗЭ критически необходимы в качестве компонентов оборудования для полупроводниковой индустрии, такого как литографические машины нидерландской компании ASML (ASML), акции которой торгуются на американской бирже NASDAQ и европейской Euronext Amsterdam. С помощью этих устройств на полупроводниковые пластины лазерным лучом наносится 3D-рисунок для формирования электронной структуры микросхемы. Это один из самых сложных этапов во всей цепочке по изготовлению чипа, поскольку процесс требует максимальной точности лазерной гравировки.

Непосредственно в микросхемах редкие элементы можно встретить в аэрокосмической сфере, атомной энергетике и военной промышленности, где эти металлы особенно ценятся за высокую электропроводимость и устойчивость к радиации. Дальнейшее развитие этих отраслей поддержит спрос на РЗМ во всем мире и скажется на их цене.