Graphene Electronics - zázrak 21. století

Článek popisuje možnosti využití grafenových a uhlíkových nanotrubic v mikroelektronice.

Když někdo naslouchá promyšleným argumentům vládních činitelů o potřebě rozvoje nanotechnologií, nedobrovolně se diví nekonzistentnosti jejich jednání: na obranu jsou vyčleněny prostředky nesrovnatelné s rozpočtem vědy. Kromě toho nyní peníze investované do vědeckého výzkumu umožní nejen radikálně změnit životy lidí, ale také se přiblíží k vyřešení problému lidské nesmrtelnosti.

Když už mluvíme o nanotechnologii, nejprve přijde na mysl objev grafenových a uhlíkových nanotrubic. Právě s nimi vědci spojují průlom v oblasti elektroniky a farmakologie v 21. století. Vytvoření kvantových počítačů, systémů pro čtení signálů na buněčné úrovni, nanorobotů pro ošetření těla - to je jen malý seznam příležitostí, které se otevírají. Nyní se tyto příležitosti přesunuly z oblasti fantazie do oblasti laboratorního vývoje.

Zvláštním tématem je mikroelektronika. Moderní mikroprocesory a paměťové čipy již překonávají hodnotu technologických standardů 10 nanometrů. Přední linie 4-6 nm. Čím dál se však vývojáři pohybují po miniaturizační cestě, tím obtížnější úkoly musí být vyřešeny. Inženýři se přiblížili fyzickým limitům křemíkových čipů. Zájemci o moderní mikroprocesory vědí, že jejich rychlost se zpomaluje při hodinové frekvenci asi 4 GHz a dále se nezvyšuje.

Křemík je vynikajícím materiálem pro mikroelektroniku, ale má značnou nevýhodu - špatnou tepelnou vodivost. A se zvýšením frekvence hodin a hustoty prvků se tato nevýhoda stává překážkou dalšího rozvoje mikroelektroniky.

Naštěstí dnes existuje skutečná příležitost použít alternativní materiály. To je grafen, dvourozměrná forma uhlíku a uhlíkových nanotrubickteré jsou trojrozměrnou krystalickou formou stejného uhlíku. Úplně první výsledky výzkumu vedly k vytvoření grafenové tranzistorypracující na frekvencích až 300 GHz. Prototypy si navíc zachovaly své vlastnosti při teplotách 125 stupňů Celsia.

Historie objevu grafenového zázraku

Nezištně malovali stěny pokojů v raném dětství jednoduchou tužkou, netušili jsme, že se zabýváme seriózní vědou - vyrobili jsme grafenové experimenty. Thrashing od rodičů, kteří neocenili vědeckou hodnotu experimentů odvrátil mnoho pryč od vědy, ale ne všichni. V roce 2010 získali dva Rusové, zaměstnanec University of Manchester (Velká Británie) Andrei Geim a vědec z Černogolovky (Rusko) Konstantin Novoseltsev Nobelovu cenu za objev grafenu, novou krystalickou modifikaci uhlíku, silnou atomovou vrstvu.

Jaký byl tedy přínos vědců a význam objevu? Nejprve se budeme zabývat samotným předmětem objevu. Graphene je krystalický dvourozměrný povrch (ne film!) Jedna nebo dvě atomové vrstvy tlusté. Nejzajímavější je, že teoreticky grafen byl „vytvořen“ teoretickými fyziky před více než 60 lety, aby popsal trojrozměrné uhlíkové struktury. Matematický model dvourozměrné mříže dokonale popisuje termofyzikální vlastnosti grafitu a dalších trojrozměrných uhlíkových modifikací.

Mnoho pokusů o vytvoření dvourozměrných uhlíkových krystalů však skončilo neúspěchem. „Medvědí“ službu v těchto rešerších poskytli teoretici, kteří matematicky prokázali nemožnost existence krystalických povrchů. Nebylo těžké jim uvěřit: konec konců to byli Leo Landau a Peierls - největší teoretičtí fyzikové 20. století.

Udělali nepopiratelné matematické argumenty, že pravidelné struktury plochých krystalů jsou nestabilní, protože kvůli tepelným vibracím atomy opouštějí uzly takových krystalů a řád je narušen. Situaci ještě zhoršila skutečnost, že v reálných experimentech byly teoretické výpočty vědců plně potvrzeny. Myšlenka na syntézu grafenu byla po dlouhou dobu opuštěna.

A teprve v roce 2004 byli vědci schopni získat, a co je nejdůležitější, dokázat, že grafen je realita. K získání grafenu byla použita speciální technika chemického štěpení grafitových krystalických rovin. Podobné procesy se vyskytují při kreslení tužkou na drsných površích, ale požadavky na podmínky loupání vzorků jsou nesmírně přísnější.

Druhou obtížností byl důkaz existence grafenové struktury. Jak lze pozorovat povrch o tloušťce jedné atomové vrstvy? Autoři objevu říkají, že kdyby nemohli najít způsob, jak pozorovat grafen, nebyli by objeveni dodnes.

Geniální technikou pro pozorování grafenu bylo vytvoření dvojrozměrného krystalického povrchu na substrátu oxidu křemičitého. A potom byl grafen pozorován pod běžným optickým mikroskopem. Správná grafenová krystalová mříž vytvořila interferenční obrazec, který vědci pozorovali.

Perspektivy praktické aplikace grafenu

Objev grafenu způsobil reakci podobnou explodující bombě. Po desetiletích plné jistoty, že nedochází k dvourozměrné modifikaci uhlíku, se náhle ukázalo, že pomocí poměrně jednoduchých procesů je možné jej získat v neomezeném množství. Ale proč?

Skutečnost je taková, že taková modifikace uhlíku má vlastnosti, které obvykle vědci omezují, dávají epitety fantasticky, úžasně a jedinečně. A mohou jim důvěřovat. Dnes jsou nabízeny stovky aplikací tohoto materiálu a objevuje se každý týden informace o nových vlastnostech grafenu.

I krátký seznam je působivý: mikročipy s hustotou více než 10 miliard tranzistorů s efektem pole na čtvereční centimetr, kvantové počítače, senzory o velikosti několika nanometrů jsou pouze v elektronice. A také dobíjecí baterie fantastické kapacity, vodní filtry, které zachycují jakékoli nečistoty a mnohem více.

Speciální vlastnosti grafenu umožňují nejen účinně odvádět teplo, ale také jej převádět zpět na elektrickou energii. Vzhledem k tomu, že grafenová mříž (rovina) má tloušťku jedné atomové vrstvy, lze snadno předpovědět, že hustota prvku na čipu se prudce zvýší a může dosáhnout 10 miliard tranzistorů na čtvereční centimetr. Již dnes byly implementovány grafenové tranzistory a mikroobvody, frekvenční mixéry, modulátory pracující při frekvencích nad 10 GHz.

Vývojáři nejsou o nic méně optimističtí ohledně použití uhlíkových nanotrubic v mikroelektronice. Na jejich základě již byly implementovány tranzistorové struktury a v poslední době specialisté IBM prokázali mikroobvod, na kterém bylo vytvořeno 10 tisíc nanotrubic.

Uhlíkové materiály samozřejmě nemohou okamžitě nahradit křemík v mikroelektronice. Vytvoření hybridních mikroobvodů, které využívají oba materiály, je však již na komerční úrovni. Nedaleko je den, kdy se mikroprocesory objevují v běžném mobilním zařízení, jehož výpočetní výkon přesáhne výkon moderních superpočítačů.

Nemyslete si, že všechny tyto aplikace jsou věcí vzdálené budoucnosti. Obři v elektronickém průmyslu - IBM, Samsung a mnoho komerčních výzkumných laboratoří se připojilo k závodu pro praktické provádění vědeckého objevu. Podle odborníků v příštím desetiletí se grafen stane známým materiálem. A nějaký vtip, že Silicon Valley v Kalifornii bude muset být přejmenován na Graphite.