Grafēna elektronika - 21. gadsimta brīnums

Rakstā aprakstītas grafēna un oglekļa nanocauruļu izmantošanas iespējas mikroelektronikā.

Uzklausot valdības ierēdņu pārdomātos argumentus par nepieciešamību attīstīt nanotehnoloģiju, kāds netīšām brīnās par viņu rīcības neatbilstību: aizsardzībai tiek piešķirti ar zinātnes budžetu nesalīdzināmi līdzekļi. Turklāt tagad zinātniskajos pētījumos ieguldītā nauda ļaus ne tikai radikāli mainīt cilvēku dzīvi, bet arī pietuvoties cilvēku nemirstības problēmai.

Runājot par nanotehnoloģijām, vispirms nāk prātā grafēna un oglekļa nanocauruļu atklāšana. Tieši ar viņiem zinātnieki saista sasniegumu elektronikas un farmakoloģijas jomā 21. gadsimtā. Kvantu datoru, signālu nolasīšanas sistēmu izveidošana šūnu līmenī, nanoroboti ķermeņa ārstēšanai - tas ir tikai mazs saraksts ar iespējām, kuras paver. Tagad šīs iespējas ir pārceltas no fantāzijas pasaules uz laboratoriju attīstības jomu.

Īpaša tēma ir mikroelektronika. Mūsdienu mikroprocesori un atmiņas mikroshēmas jau tagad pārsniedz 10 nanometru tehnoloģisko standartu vērtību. Ahead līnija 4-6 nm. Bet jo tālāk izstrādātāji virzās pa miniaturizācijas ceļu, jo grūtāk ir jāatrisina uzdevumi. Inženieri pietuvojās silīcija mikroshēmu fiziskajām robežām. Tie, kurus interesē mūsdienu mikroprocesori, zina, ka to veiktspēja palēninājās ar pulksteņa frekvenci aptuveni 4 GHz un nepalielinās vēl vairāk.

Silīcijs ir lielisks materiāls mikroelektronikai, taču tam ir ievērojams trūkums - vāja siltuma vadītspēja. Pieaugot pulksteņa frekvencei un elementu blīvumam, šis trūkums kļūst par šķērsli turpmākai mikroelektronikas attīstībai.

Par laimi, šodien ir reāla iespēja izmantot alternatīvus materiālus. Tā tas ir grafēns, oglekļa divdimensiju forma un oglekļa nanocauruleskas ir tā paša oglekļa trīsdimensiju kristāliska forma. Pirmie pētījumu rezultāti ļāva izveidot grafēna tranzistoridarbojas frekvencēs līdz 300 GHz. Turklāt prototipi saglabāja savas īpašības temperatūrā 125 grādi pēc Celsija.

Grafēna brīnuma atklāšanas vēsture

Pašaizliedzīgi jau agrā bērnībā ar vienkāršu zīmuli krāsojot istabu sienas, mums nebija aizdomas, ka nodarbojamies ar nopietnu zinātni - mēs ražojām grafēna eksperimenti. Vēršanās no vecākiem, kuri nenovērtēja eksperimentu zinātnisko vērtību, daudzus novērsa no zinātnes, bet ne visus. 2010. gadā diviem krieviem, Mančestras Universitātes (Lielbritānija) darbiniekam Andrejam Geimam un zinātniekam no Černogolovkas (Krievija) Konstantīnam Novoseltsevam tika piešķirta Nobela prēmija par grafēna, jauna oglekļa kristāliskās modifikācijas, atklāšanu, kura atomslānis ir biezs, atklāšanu.

Kāds bija zinātnieku nopelns un atklājuma nozīmīgums? Sākumā mēs aplūkosim pašu atklāšanas tēmu. Grafēns ir kristāliska divdimensiju virsma (nevis plēve!), Kuras biezums ir viens vai divi atomu slāņi. Interesantākais ir tas, ka teorētiski grafēnu teorētiski fiziķi “izveidoja” pirms vairāk nekā 60 gadiem, lai aprakstītu trīsdimensiju oglekļa struktūras. Divdimensiju režģa matemātiskais modelis lieliski aprakstīja grafīta un citu trīsdimensiju oglekļa modifikāciju termofizikālās īpašības.

Bet neskaitāmie mēģinājumi radīt divdimensiju oglekļa kristālus beidzās ar neveiksmi. Šajos meklējumos “lācīgu” pakalpojumu sniedza teorētiķi, kuri matemātiski pamatoja kristālisko virsmu pastāvēšanas neiespējamību. Viņiem neticēt bija grūti: galu galā tas bija Leo Landau un Peierls - lielākie 20. gadsimta teorētiskie fiziķi.

Viņi izteica nenoliedzamus matemātiskus argumentus, ka regulāras plakano kristālu struktūras ir nestabilas, jo termisko vibrāciju dēļ atomi atstāj šādu kristālu mezglus, un kārtība tiek traucēta. Situāciju pasliktināja fakts, ka reālos eksperimentos zinātnieku teorētiskie aprēķini guva pilnīgu apstiprinājumu. Ideja par grafēna sintezēšanu tika atmesta uz ilgu laiku.

Un tikai 2004. gadā zinātnieki spēja iegūt, un pats galvenais, pierādīt, ka grafēns ir realitāte. Lai iegūtu grafēnu, tika izmantota īpaša grafīta kristālisko plakņu ķīmiskās šķelšanas tehnika. Līdzīgi procesi notiek, zīmējot ar zīmuli uz nelīdzenām virsmām, bet prasības paraugu lobīšanas apstākļiem ir neizmērojami stingrākas.

Otrās grūtības bija grafēna struktūras esamības pierādījums. Kā var novērot virsmu ar viena atoma slāņa biezumu? Atklājuma autori saka, ka, ja viņi nevarētu atrast veidu, kā novērot grafēnu, viņi līdz šai dienai nebūtu atklāti.

Ģeniāls grafēna novērošanas paņēmiens bija divdimensiju kristāliskas virsmas izveidošana uz silīcija oksīda substrāta. Pēc tam grafēnu novēroja ar parasto optisko mikroskopu. Pareiza grafēna kristāla režģis radīja traucējumus, ko novēroja pētnieki.

Grafēna praktiskās pielietošanas perspektīvas

Grafēna atklāšana izraisīja reakciju, kas līdzīga sprādzienbumbai. Pēc gadu desmitiem ilgas pārliecības par to, ka oglekļa formātā nav divdimensiju modifikācijas, pēkšņi izrādījās, ka ar diezgan vienkāršu procesu palīdzību to var iegūt neierobežotā daudzumā. Bet kāpēc?

Fakts ir tāds, ka šādai oglekļa modifikācijai piemīt īpašības, kuras zinātnieki parasti attur, un sniedz epitetus fantastiskus, brīnišķīgus, unikālus. Un viņiem var uzticēties. Šodien tiek piedāvāti simtiem šī materiāla pielietojumu, un katru nedēļu tie parādās informācija par jaunajām grafēna īpašībām.

Pat īss saraksts ir iespaidīgs: mikroshēmas ar blīvumu vairāk nekā 10 miljardus lauka efektu tranzistoru uz kvadrātcentimetru, kvantu datori un dažu nanometru izmēra sensori ir tikai elektronikā. Un arī fantastiski ietilpīgas uzlādējamās baterijas, ūdens filtri, kas notver visus piemaisījumus, un daudz kas cits.

Grafēna īpašās īpašības ļauj ne tikai efektīvi noņemt siltumu, bet arī pārveidot to atpakaļ elektriskajā enerģijā. Ņemot vērā, ka grafēna režģim (plaknei) ir viena atoma slāņa biezums, ir viegli paredzēt, ka mikroshēmas elementa blīvums strauji palielināsies un var sasniegt 10 miljardus tranzistora uz kvadrātcentimetru. Jau šodien ieviesti grafēna tranzistori un mikroshēmas, frekvences maisītāji, modulatori, kas darbojas ar frekvenci virs 10 GHz.

Izstrādātāji ir ne mazāk optimistiski noskaņoti par oglekļa nanocauruļu izmantošanu mikroelektronikā. Balstoties uz tiem, tranzistora struktūras jau ir ieviestas, un nesen IBM speciālisti demonstrēja mikroshēmu, uz kuras tika izveidoti 10 tūkstoši nanocauruļu.

Protams, oglekļa materiāli nevar nekavējoties aizstāt silīciju mikroelektronikā. Bet hibrīdu mikroshēmu izveidošana, kurās tiek izmantoti abi materiāli, jau notiek komerciālā līmenī. Diena nav tālu, kad mikroprocesori parādīsies parastajā mobilajā ierīcē, kuras skaitļošanas jauda pārsniegs mūsdienu superdatoru veiktspēju.

Nedomājiet, ka visi šie pieteikumi ir tālas nākotnes jautājums. Sacensībās par zinātnisko atklājumu praktisko ieviešanu ir pievienojušies elektroniskās rūpniecības giganti - IBM, Samsung un daudzas komerciālu pētījumu laboratorijas. Pēc ekspertu domām, nākamajā desmitgadē grafēns kļūs par pazīstamu materiālu. Un daži joks, ka Silīcija ieleja Kalifornijā būs jāpārdēvē par grafītu.