Grafen Electronics - 21st Century Miracle

W artykule opisano perspektywy zastosowania nanorurek grafenowych i węglowych w mikroelektronice.

Słuchając przemyślanych argumentów urzędników państwowych o potrzebie rozwoju nanotechnologii, mimowolnie dziwi się niespójności ich działań: fundusze nieporównywalne z budżetem nauki przeznaczane są na obronę. Co więcej, teraz pieniądze zainwestowane w badania naukowe pozwolą nie tylko radykalnie zmienić życie ludzi, ale także zbliżyć się do rozwiązania problemu nieśmiertelności człowieka.

Mówiąc o nanotechnologii, najpierw przyjdź do głowy odkrycie nanorurek grafenowych i węglowych. To z nimi naukowcy łączą przełom w dziedzinie elektroniki i farmakologii w XXI wieku. Tworzenie komputerów kwantowych, systemy odczytu sygnałów na poziomie komórkowym, nanoroboty do leczenia ciała - to tylko mała lista możliwości, które się otwierają. Teraz możliwości te przeniosły się z dziedziny fantasy do dziedziny badań laboratoryjnych.

Specjalnym tematem jest mikroelektronika. Nowoczesne mikroprocesory i układy pamięci już przekraczają wartość standardów technologicznych 10 nanometrów. Linia naprzód 4-6 nm. Jednak im bardziej programiści poruszają się ścieżką miniaturyzacji, tym trudniejsze są zadania do rozwiązania. Inżynierowie zbliżyli się do fizycznych granic chipów krzemowych. Ci, którzy są zainteresowani nowoczesnymi mikroprocesorami, wiedzą, że ich prędkość jest spowalniana przy częstotliwości taktowania około 4 GHz i nie wzrasta.

Krzem jest doskonałym materiałem dla mikroelektroniki, ale ma znaczną wadę - słabą przewodność cieplną. Wraz ze wzrostem częstotliwości zegara i gęstości elementu ta wada staje się barierą dla dalszego rozwoju mikroelektroniki.

Na szczęście dzisiaj istnieje prawdziwa okazja do zastosowania alternatywnych materiałów. Jest grafen, dwuwymiarowa forma węgla i nanorurki węglowektóre są trójwymiarową krystaliczną postacią tego samego węgla. Pierwsze wyniki badań doprowadziły do ​​powstania tranzystory grafenowedziałający na częstotliwościach do 300 GHz. Ponadto prototypy zachowały swoją charakterystykę w temperaturach 125 stopni Celsjusza.

Historia odkrycia cudu grafenu

Bezinteresownie malując ściany we wczesnym dzieciństwie prostym ołówkiem, nie podejrzewaliśmy, że zajmujemy się poważną nauką - wyprodukowaliśmy eksperymenty z grafenem. Drżenie rodziców, którzy nie docenili naukowej wartości eksperymentów, odwróciło wielu od nauki, ale nie wszystkich. W 2010 r. Dwóch Rosjan, pracownik Uniwersytetu w Manchesterze (Wielka Brytania) Andrei Geim i naukowiec z Czernogołówki (Rosja) Konstantin Nowoseltsev otrzymali Nagrodę Nobla za odkrycie grafenu, nowej krystalicznej modyfikacji węgla o grubości jednej warstwy atomowej.

Jaka była więc zasługa naukowców i znaczenie odkrycia? Na początek zajmiemy się samym tematem odkrycia. Grafen to krystaliczna dwuwymiarowa powierzchnia (nie film!) Jedna lub dwie warstwy atomowe. Najciekawsze jest to, że teoretycznie grafen został „stworzony” przez fizyków teoretycznych ponad 60 lat temu, aby opisać trójwymiarowe struktury węgla. Model matematyczny dwuwymiarowej sieci doskonale opisuje termofizyczne właściwości grafitu i innych trójwymiarowych modyfikacji węgla.

Jednak liczne próby stworzenia dwuwymiarowych kryształów węgla zakończyły się niepowodzeniem. „Niedźwiedzia” służba w tych poszukiwaniach była świadczona przez teoretyków, którzy matematycznie udowodnili niemożliwość istnienia krystalicznych powierzchni. Trudno było im nie wierzyć: w końcu był to Leo Landau i Peierls - najwięksi fizycy teoretyczni XX wieku.

Przedstawili niezaprzeczalne argumenty matematyczne, że regularne struktury o płaskich kryształach są niestabilne, ponieważ z powodu wibracji termicznych atomy opuszczają węzły takich kryształów i porządek jest zaburzony. Sytuację pogorszył fakt, że w rzeczywistych eksperymentach obliczenia teoretyczne naukowców otrzymały pełne potwierdzenie. Pomysł syntezy grafenu został na długo porzucony.

I dopiero w 2004 r. Naukowcy byli w stanie uzyskać, a co najważniejsze, udowodnić, że grafen jest rzeczywistością. Aby uzyskać grafen, zastosowano specjalną technikę chemicznego rozszczepienia grafitowych płaszczyzn krystalicznych. Podobne procesy zachodzą podczas rysowania ołówkiem na szorstkich powierzchniach, ale wymagania dotyczące warunków złuszczania próbek są niezmiernie surowsze.

Druga trudność była dowodem na istnienie struktury grafenowej. Jak obserwować powierzchnię o grubości jednej warstwy atomowej? Autorzy odkrycia twierdzą, że gdyby nie mogli znaleźć sposobu na obserwację grafenu, nie odkryliby tego do dnia dzisiejszego.

Genialną techniką obserwacji grafenu było utworzenie dwuwymiarowej krystalicznej powierzchni na podłożu z tlenku krzemu. Następnie zaobserwowano grafen pod konwencjonalnym mikroskopem optycznym. Prawidłowa sieć krystaliczna grafenu stworzyła wzór interferencyjny, który zaobserwowali badacze.

Perspektywy praktycznego zastosowania grafenu

Odkrycie grafenu wywołało reakcję podobną do wybuchającej bomby. Po dziesięcioleciach pełnej pewności, że nie ma dwuwymiarowej modyfikacji węgla, nagle okazało się, że za pomocą dość prostych procesów można go uzyskać w nieograniczonych ilościach. Ale dlaczego?

Faktem jest, że taka modyfikacja węgla ma właściwości, które zwykle ograniczone przez naukowców, dają epitetom fantastyczne, cudowne, niepowtarzalne. I można im zaufać. Setki zastosowań tego materiału są oferowane dzisiaj i co tydzień się pojawia informacje na temat nowych funkcji grafenu.

Nawet krótka lista robi wrażenie: mikroczipy o gęstości ponad 10 miliardów tranzystorów polowych na centymetr kwadratowy, komputery kwantowe, czujniki wielkości kilku nanometrów są tylko w elektronice. A także akumulatory o fantastycznej pojemności, filtry do wody, które zatrzymują wszelkie zanieczyszczenia i wiele więcej.

Specjalne właściwości grafenu pozwalają nie tylko skutecznie usuwać ciepło, ale także przekształcać je z powrotem w energię elektryczną. Biorąc pod uwagę, że sieć grafenowa (płaszczyzna) ma grubość jednej warstwy atomowej, łatwo jest przewidzieć, że gęstość elementu na chipie gwałtownie wzrośnie i może osiągnąć 10 miliardów tranzystorów na centymetr kwadratowy. Już dziś zaimplementowano tranzystory graficzne i mikroukłady, miksery częstotliwości, modulatory pracujące na częstotliwościach powyżej 10 GHz.

Twórcy są nie mniej optymistyczni co do zastosowania nanorurek węglowych w mikroelektronice. Na ich podstawie zaimplementowano już struktury tranzystorowe, a ostatnio specjaliści IBM zademonstrowali mikroukład, na którym utworzono 10 tysięcy nanorurek.

Oczywiście materiały węglowe nie mogą natychmiast zastąpić krzemu w mikroelektronice. Ale tworzenie hybrydowych mikroukładów, które wykorzystują oba materiały, jest już na poziomie komercyjnym. Niedaleko jest dzień, w którym mikroprocesory pojawiają się w zwykłym urządzeniu mobilnym, którego moc obliczeniowa przewyższy wydajność współczesnych superkomputerów.

Nie myśl, że wszystkie te aplikacje są kwestią odległej przyszłości. Giganci przemysłu elektronicznego - IBM, Samsung i wiele komercyjnych laboratoriów badawczych dołączyły do ​​wyścigu o praktyczne wdrożenie odkryć naukowych. Według ekspertów w następnej dekadzie grafen stanie się materiałem znajomym. I żart, że Dolinę Krzemową w Kalifornii trzeba będzie zmienić na Grafit.