Graphene Electronics - 21st Century Miracle

L'article décrit les perspectives d'utilisation du graphène et des nanotubes de carbone en microélectronique.

En écoutant les arguments réfléchis des responsables gouvernementaux sur la nécessité de développer la nanotechnologie, on s'émerveille involontairement de l'incohérence de leurs actions: des fonds incomparables avec le budget de la science sont alloués à la défense. De plus, l'argent investi dans la recherche scientifique permettra désormais non seulement de changer radicalement la vie des gens, mais aussi de résoudre le problème de l'immortalité humaine.

En parlant de nanotechnologie, pensez d'abord à découverte du graphène et des nanotubes de carbone. C'est avec eux que les scientifiques associent une percée dans le domaine de l'électronique et de la pharmacologie au 21e siècle. La création d'ordinateurs quantiques, de systèmes de lecture de signaux au niveau cellulaire, de nanorobots pour traiter le corps - ce n'est qu'une petite liste d'opportunités qui s'ouvrent. Maintenant, ces opportunités sont passées du domaine de la fantaisie au domaine du développement en laboratoire.

Un sujet spécial est la microélectronique. Les microprocesseurs et les puces de mémoire modernes dépassent déjà la valeur des normes technologiques de 10 nanomètres. Ligne de front 4-6 nm. Mais plus les développeurs avancent sur le chemin de la miniaturisation, plus les tâches doivent être résolues. Les ingénieurs se sont approchés des limites physiques des puces de silicium. Ceux qui s'intéressent aux microprocesseurs modernes savent que leur vitesse est ralentie à une fréquence d'horloge d'environ 4 GHz et n'augmente pas davantage.

Le silicium est un excellent matériau pour la microélectronique, mais présente un inconvénient important - une mauvaise conductivité thermique. Et avec une augmentation de la fréquence d'horloge et de la densité des éléments, cet inconvénient devient un obstacle au développement ultérieur de la microélectronique.

Heureusement, il existe aujourd'hui une réelle opportunité d'utiliser des matériaux alternatifs. C'est graphène, forme bidimensionnelle du carbone et des nanotubes de carbonequi sont une forme cristalline tridimensionnelle du même carbone. Les tout premiers résultats de la recherche ont conduit à la création de transistors en graphènefonctionnant à des fréquences allant jusqu'à 300 GHz. De plus, les prototypes ont conservé leurs caractéristiques à des températures de 125 degrés Celsius.

Histoire de la découverte du miracle du graphène

Peignant altruiste les murs des chambres de la petite enfance avec un simple crayon, nous ne soupçonnions pas que nous étions engagés dans une science sérieuse - nous avons produit expériences de graphène. La raclée des parents qui n'appréciaient pas la valeur scientifique des expériences détournait beaucoup de la science, mais pas tous. En 2010, deux Russes, un employé de l'Université de Manchester (Grande-Bretagne) Andrei Geim et un scientifique de Tchernogolovka (Russie) Konstantin Novoseltsev ont reçu le prix Nobel pour la découverte du graphène, une nouvelle modification cristalline du carbone, une couche atomique épaisse.

Alors, quel était le mérite des scientifiques et l'importance de la découverte? Pour commencer, nous aborderons le sujet même de la découverte. Le graphène est une surface cristalline bidimensionnelle (pas un film!) Une ou deux couches atomiques épaisses. La chose la plus intéressante est que théoriquement le graphène a été «créé» par des physiciens théoriciens il y a plus de 60 ans pour décrire les structures de carbone tridimensionnelles. Le modèle mathématique d'un réseau bidimensionnel décrit parfaitement les propriétés thermophysiques du graphite et d'autres modifications tridimensionnelles du carbone.

Mais de nombreuses tentatives pour créer des cristaux de carbone bidimensionnels ont échoué. Le service «baissier» dans ces recherches a été rendu par des théoriciens qui ont prouvé mathématiquement l'impossibilité de l'existence de surfaces cristallines. Il était difficile de ne pas les croire: après tout, c'était Leo Landau et Peierls - les plus grands physiciens théoriciens du XXe siècle.

Ils ont fait des arguments mathématiques indéniables que les structures cristallines plates régulières sont instables, car en raison des vibrations thermiques, les atomes quittent les nœuds de ces cristaux et l'ordre est perturbé. La situation a été aggravée par le fait que dans les expériences réelles, les calculs théoriques des scientifiques ont reçu une confirmation complète. L'idée de synthétiser du graphène a été abandonnée pendant longtemps.

Et ce n'est qu'en 2004 que les scientifiques ont pu obtenir et surtout prouver que le graphène est une réalité. Pour obtenir du graphène, une technique spéciale de clivage chimique des plans cristallins en graphite a été utilisée. Des processus similaires se produisent lors du dessin au crayon sur des surfaces rugueuses, mais les exigences relatives aux conditions d'exfoliation des échantillons sont infiniment plus strictes.

La deuxième difficulté a été la preuve de l'existence d'une structure en graphène. Comment observer une surface d'une épaisseur d'une couche atomique? Les auteurs de la découverte disent que s'ils n'avaient pas pu trouver un moyen d'observer le graphène, ils n'auraient pas été découverts à ce jour.

L'ingénieuse technique d'observation du graphène consistait à former une surface cristalline bidimensionnelle sur un substrat d'oxyde de silicium. Et puis le graphène a été observé sous un microscope optique conventionnel. Le réseau cristallin de graphène correct a créé un motif d'interférence, qui a été observé par les chercheurs.

Perspectives d'application pratique du graphène

La découverte de graphène a provoqué une réaction similaire à celle d'une bombe explosant. Après des décennies de pleine confiance qu'il n'y a pas de modification bidimensionnelle du carbone, il s'est avéré soudain qu'à l'aide de processus assez simples, il pouvait être obtenu en quantités illimitées. Mais pourquoi?

Le fait est qu'une telle modification du carbone possède des propriétés qui, généralement restreintes par les scientifiques, donnent des épithètes fantastiques, merveilleuses, uniques. Et on peut leur faire confiance. Des centaines d'applications de ce matériel sont proposées aujourd'hui, et chaque semaine apparaît informations sur les nouvelles fonctionnalités du graphène.

Même une courte liste est impressionnante: les micropuces d'une densité de plus de 10 milliards de transistors à effet de champ par centimètre carré, les ordinateurs quantiques, les capteurs de quelques nanomètres ne sont que dans l'électronique. Et aussi des piles rechargeables d'une capacité fantastique, des filtres à eau qui retiennent les impuretés et bien plus encore.

Les propriétés spéciales du graphène permettent non seulement d'éliminer efficacement la chaleur, mais également de la reconvertir en énergie électrique. Étant donné que le réseau de graphène (plan) a une épaisseur d'une couche atomique, il est facile de prédire que la densité de l'élément sur la puce augmentera fortement et pourra atteindre 10 milliards de transistors par centimètre carré. Déjà mis en œuvre aujourd'hui des transistors et microcircuits en graphène, des mélangeurs de fréquence, des modulateurs fonctionnant à des fréquences supérieures à 10 GHz.

Les développeurs ne sont pas moins optimistes quant à l'utilisation des nanotubes de carbone en microélectronique. Sur la base de celles-ci, des structures de transistors ont déjà été mises en œuvre, et récemment, des spécialistes d'IBM ont démontré un microcircuit sur lequel 10 000 nanotubes ont été formés.

Bien sûr, les matériaux en carbone ne peuvent pas remplacer immédiatement le silicium en microélectronique. Mais la création de circuits hybrides qui tirent parti des deux matériaux est déjà au niveau commercial. Le jour où les microprocesseurs apparaissent dans un appareil mobile ordinaire, dont la puissance de calcul dépassera les performances des superordinateurs modernes, n'est pas loin.

Ne pensez pas que toutes ces applications relèvent d'un avenir lointain. Les géants de l'industrie électronique - IBM, Samsung et de nombreux laboratoires de recherche commerciale se sont joints à la course à la mise en œuvre pratique de la découverte scientifique. Selon les experts, au cours de la prochaine décennie, le graphène deviendra un matériau familier. Et une blague que la Silicon Valley en Californie devra être renommée Graphite.