Графен електроника - чудо на 21 век

Статията описва перспективите за използване на графенови и въглеродни нанотръби в микроелектрониката.

Слушайки замислените аргументи на правителствените служители за необходимостта от развитие на нанотехнологиите, човек неволно се чуди на несъответствието на действията си: за отбрана се отделят средства, несравними с бюджета на науката. Нещо повече, сега парите, вложени в научни изследвания, ще позволят не само да промени коренно живота на хората, но и да се доближат до решаването на проблема с човешкото безсмъртие.

Говорейки за нанотехнологиите, първо идвай на ум откриване на графенови и въглеродни нанотръби, Именно с тях учените свързват пробив в областта на електрониката и фармакологията през 21 век. Създаването на квантови компютри, системи за четене на сигнали на клетъчно ниво, нанороботи за лечение на тялото - това е само малък списък от възможности, които се отварят. Сега тези възможности са се преместили от сферата на фантазията в областта на лабораторното развитие.

Специална тема е микроелектрониката. Съвременните микропроцесори и чипове за памет вече преодоляват стойността на технологичните стандарти от 10 нанометра. Отпред линия 4-6 nm. Но колкото по-нататък разработчиците се движат по пътя на миниатюризацията, толкова по-трудни трябва да бъдат решени задачите. Инженерите се приближиха до физическите граници на силиконовите чипове. Тези, които се интересуват от съвременните микропроцесори, знаят, че скоростта им се забавя при тактова честота около 4 GHz и не се увеличава допълнително.

Силицият е отличен материал за микроелектроника, но има съществен недостатък - лоша топлопроводимост. И с увеличаване на тактовата честота и плътността на елементите, този недостатък се превръща в пречка за по-нататъшното развитие на микроелектрониката.

За щастие, днес има реална възможност да се използват алтернативни материали. Така е графен, двуизмерна форма на въглеродни и въглеродни нанотръбикоито са триизмерна кристална форма на същия въглерод. Първите резултати от изследванията доведоха до създаването на графенови транзисториработещи на честоти до 300 GHz. Освен това прототипите запазиха своите характеристики при температури от 125 градуса по Целзий.

История на откриването на графеновото чудо

Безкористно боядисвайки стените на стаите в ранна детска възраст с обикновен молив, не подозирахме, че се занимаваме със сериозна наука - произвеждахме графенови експерименти, Хвърлянето от родители, които не оценяват научната стойност на експериментите, отклони мнозина от науката, но не всички. През 2010 г. двама руснаци, служител на Университета в Манчестър (Великобритания) Андрей Гейм и учен от Черноголовка (Русия) Константин Новоселцев бяха наградени с Нобелова награда за откриването на графен, нова кристална модификация на въглерод и дебел атомен слой.

И така, каква беше заслугата на учените и значението на откритието? Като начало ще се спрем на самия предмет на откриване. Графенът е кристална двуизмерна повърхност (не филм!) С дебелина един или два атомни слоя. Най-интересното е, че теоретично графенът е „създаден“ от теоретичните физици преди повече от 60 години, за да опише триизмерните въглеродни структури. Математическият модел на двуизмерна решетка отлично описва термофизичните свойства на графита и други триизмерни модификации на въглерода.

Но многобройните опити за създаване на двуизмерни въглеродни кристали завършиха с неуспех. „Мечешката“ услуга при тези търсения беше предоставена от теоретици, които математически обосновават невъзможността за съществуване на кристални повърхности. Беше трудно да им се повярва: в края на краищата това бяха Лео Ландау и Пейерлс - най-големите теоретични физици на 20 век.

Те направиха безспорни математически аргументи, че правилните плоски кристални структури са нестабилни, защото поради топлинните вибрации атомите напускат възлите на такива кристали и редът се нарушава. Ситуацията се влошаваше от факта, че в реални експерименти теоретичните изчисления на учените получиха пълно потвърждение. Идеята за синтезиране на графен беше изоставена дълго време.

И едва през 2004 г. учените успяха да получат и най-важното - да докажат, че графенът е реалност. За получаване на графен е използвана специална техника за химическо разцепване на графитни кристални равнини. Подобни процеси възникват при рисуване с молив върху груби повърхности, но изискванията за условията на пилинг на пробите са неизмеримо по-строги.

Втората трудност беше доказателството за съществуването на графенова структура. Как човек може да наблюдава повърхност с дебелина на един атомен слой? Авторите на откритието казват, че ако не можаха да намерят начин да наблюдават графена, те нямаше да бъдат открити и до днес.

Гениалната техника за наблюдение на графен беше да се образува двуизмерна кристална повърхност върху субстрат от силициев оксид. И тогава графенът се наблюдава под конвенционален оптичен микроскоп. Правилната графенова кристална решетка създава интерферентен модел, който се наблюдава от изследователите.

Перспективи за практическото приложение на графена

Откриването на графен предизвика реакция, подобна на експлодираща бомба. След десетилетия пълна увереност, че няма двуизмерна модификация на въглерода, изведнъж се оказа, че с помощта на доста прости процеси той може да бъде получен в неограничени количества. Но защо?

Факт е, че подобна модификация на въглерода притежава свойства, които, обикновено сдържани от учените, дават епитети фантастични, прекрасни, уникални. И на тях може да се вярва. Днес се предлагат стотици приложения на този материал и се появява всяка седмица информация за новите характеристики на графена.

Дори кратък списък е впечатляващ: микрочипове с плътност над 10 милиарда полеви транзистори на квадратен сантиметър, квантови компютри, сензори с размер на няколко нанометра са само в електрониката. А също и акумулаторни батерии с фантастичен капацитет, водни филтри, които улавят всякакви примеси и много други.

Специалните свойства на графена позволяват не само ефективно да отделя топлина, но и да го превръща обратно в електрическа енергия. Като се има предвид, че графеновата решетка (равнина) има дебелина от един атомен слой, лесно е да се предвиди, че плътността на елемента върху чипа ще се увеличи рязко и може да достигне 10 милиарда транзистора на квадратен сантиметър. Вече днес се прилагат графенови транзистори и микросхеми, честотни смесители, модулатори, работещи на честоти над 10 GHz.

Разработчиците са не по-малко оптимистични по отношение на използването на въглеродни нанотръби в микроелектрониката. Въз основа на тях транзисторните структури вече са внедрени, а наскоро специалистите на IBM демонстрираха микросхема, върху която са се образували 10 хиляди нанотръби.

Разбира се, въглеродните материали не могат веднага да заменят силиция в микроелектрониката. Но създаването на хибридни микросхеми, които се възползват от двата материала, вече са на търговско ниво. Не е далеч денят, в който микропроцесорите ще се появят в обикновено мобилно устройство, чиято изчислителна мощност ще надвиши производителността на съвременните суперкомпютри.

Не мислете, че всички тези приложения са въпрос на далечно бъдеще. Гигантите на електронната индустрия - IBM, Samsung и много търговски изследователски лаборатории се включиха в надпреварата за практическото прилагане на научните открития. Според експерти, в следващото десетилетие графенът ще стане познат материал. И някои се шегуват, че Силиконовата долина в Калифорния ще трябва да бъде преименувана на Graphite.