Graphene Electronics - ปาฏิหาริย์ในศตวรรษที่ 21

บทความนี้อธิบายถึงโอกาสในการใช้กราฟีนและท่อนาโนคาร์บอนในไมโครอิเล็คทรอนิคส์

การฟังข้อโต้แย้งอย่างถี่ถ้วนของเจ้าหน้าที่ของรัฐเกี่ยวกับความจำเป็นในการพัฒนานาโนเทคโนโลยีโดยหนึ่งคนประหลาดใจอย่างไม่สมัครใจที่การกระทำของพวกเขา: กองทุนที่ไม่มีใครเทียบได้กับงบประมาณของวิทยาศาสตร์ได้รับการจัดสรรเพื่อการป้องกัน ยิ่งกว่านั้นตอนนี้เงินที่ลงทุนในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์จะช่วยให้ไม่เพียง แต่เปลี่ยนชีวิตของผู้คนอย่างรุนแรง แต่ยังเข้ามาใกล้เพื่อแก้ปัญหาความเป็นอมตะของมนุษย์

เมื่อพูดถึงนาโนเทคโนโลยีจงนึกถึงสิ่งแรก การค้นพบกราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน. มันอยู่กับพวกเขาที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อมโยงความก้าวหน้าในด้านอิเล็กทรอนิกส์และเภสัชวิทยาในศตวรรษที่ 21 การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมระบบการอ่านสัญญาณในระดับเซลล์ nanorobots สำหรับการรักษาร่างกาย - นี่เป็นเพียงรายการเล็ก ๆ ของโอกาสที่เปิดขึ้น ตอนนี้โอกาสเหล่านี้ได้เปลี่ยนจากอาณาจักรแห่งจินตนาการไปสู่การพัฒนาในห้องปฏิบัติการ

หัวข้อพิเศษคือไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ไมโครโปรเซสเซอร์สมัยใหม่และชิปหน่วยความจำเอาชนะคุณค่าของมาตรฐานเทคโนโลยี 10 นาโนเมตรแล้ว ไปข้างหน้าบรรทัด 4-6 nm แต่ยิ่งนักพัฒนาเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางย่อให้เล็กลงยิ่งต้องแก้ไขงานยากขึ้น วิศวกรเข้าใกล้ขีด จำกัด ทางกายภาพของชิปซิลิคอน ผู้ที่สนใจในไมโครโปรเซสเซอร์สมัยใหม่รู้ว่าประสิทธิภาพของพวกเขาชะลอตัวลงที่ความถี่สัญญาณนาฬิกาประมาณ 4 GHz และไม่เพิ่มขึ้นอีก

ซิลิคอนเป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมสำหรับไมโครอิเล็กทรอนิกส์ แต่มีข้อเสียเปรียบอย่างมาก - การนำความร้อนต่ำ และด้วยการเพิ่มขึ้นของความถี่สัญญาณนาฬิกาและความหนาแน่นขององค์ประกอบข้อเสียเปรียบนี้กลายเป็นอุปสรรคต่อการพัฒนาไมโครอิเล็กทรอนิกส์ต่อไป

โชคดีที่วันนี้มีโอกาสจริงที่จะใช้วัสดุทางเลือก มันคือ กราฟีนรูปแบบสองมิติของคาร์บอนและท่อนาโนคาร์บอนซึ่งเป็นรูปแบบผลึกสามมิติของคาร์บอนเดียวกัน ผลการวิจัยครั้งแรกที่นำไปสู่การสร้าง ทรานซิสเตอร์กราฟีนทำงานที่ความถี่สูงถึง 300 GHz นอกจากนี้ต้นแบบยังคงรักษาลักษณะไว้ที่อุณหภูมิ 125 องศาเซลเซียส

ประวัติความเป็นมาของการค้นพบมหัศจรรย์ของกราฟีน

การวาดภาพผนังห้องในวัยเด็กอย่างเห็นแก่ตัวด้วยดินสอง่าย ๆ เราไม่สงสัยเลยว่าเรามีส่วนร่วมในวิทยาศาสตร์ร้ายแรง - เราผลิต การทดลองแกรฟีน. การเฆี่ยนตีจากผู้ปกครองที่ไม่เห็นคุณค่าของการทดลองทางวิทยาศาสตร์ทำให้หลายคนหันเหไปจากวิทยาศาสตร์ แต่ไม่ใช่ทั้งหมด ในปี 2010 ชาวรัสเซียสองคนพนักงานของมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ (บริเตนใหญ่) Andrei Geim และนักวิทยาศาสตร์จาก Chernogolovka (รัสเซีย) Konstantin Novoseltsev ได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบกราฟีนซึ่งเป็นคาร์บอนหนาชั้นหนึ่ง

แล้วข้อดีของนักวิทยาศาสตร์และความสำคัญของการค้นพบคืออะไร? ในการเริ่มต้นเราจะจัดการกับเรื่องของการค้นพบ แกรฟีนเป็นพื้นผิวผลึกสองมิติ (ไม่ใช่ฟิล์ม!) ชั้นอะตอมหนึ่งหรือสองชั้นหนา สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือกราฟีนในทางทฤษฎีนั้นถูก“ สร้างขึ้น” โดยนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีมานานกว่า 60 ปีมาแล้วเพื่ออธิบายโครงสร้างคาร์บอนสามมิติ แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของโครงตาข่ายสองมิติอธิบายคุณสมบัติทางความร้อนของกราไฟต์และการดัดแปลงคาร์บอนแบบสามมิติอื่น ๆ อย่างสมบูรณ์แบบ

แต่ความพยายามมากมายในการสร้างผลึกคาร์บอนสองมิติสิ้นสุดลงด้วยความล้มเหลว บริการ "หยาบคาย" ในการค้นหาเหล่านี้จัดทำขึ้นโดยนักทฤษฎีที่พิสูจน์ทางคณิตศาสตร์เป็นไปไม่ได้ของการดำรงอยู่ของพื้นผิวผลึก มันยากที่จะไม่เชื่อพวกเขา: หลังจากทั้งหมดมันคือ Leo Landau และ Peierls - นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่ใหญ่ที่สุดของศตวรรษที่ 20

พวกเขาสร้างข้อโต้แย้งทางคณิตศาสตร์ที่ปฏิเสธไม่ได้ว่าโครงสร้างผลึกแบนปกติไม่เสถียรเพราะ เนื่องจากการสั่นสะเทือนเนื่องจากความร้อนอะตอมจึงออกจากโหนดของผลึกดังกล่าวและลำดับจะถูกรบกวน สถานการณ์ดังกล่าวรุนแรงขึ้นเนื่องจากความจริงที่ว่าในการทดลองจริงการคำนวณเชิงทฤษฎีของนักวิทยาศาสตร์ได้รับการยืนยันอย่างเต็มรูปแบบ แนวคิดของการสังเคราะห์แกรฟีนถูกทิ้งร้างมาเป็นเวลานาน

และในปี 2004 นักวิทยาศาสตร์สามารถได้รับและที่สำคัญที่สุดพิสูจน์ว่ากราฟีนเป็นความจริง เพื่อให้ได้กราฟีนได้ใช้เทคนิคพิเศษของการแยกทางเคมีของระนาบผลึกกราไฟต์ กระบวนการที่คล้ายกันเกิดขึ้นเมื่อวาดด้วยดินสอบนพื้นผิวที่ขรุขระ แต่ข้อกำหนดสำหรับการลอกตัวอย่างมีความเข้มงวดมากขึ้น

ปัญหาที่สองคือการพิสูจน์ว่ามีโครงสร้างของกราฟีน เราจะสังเกตพื้นผิวที่มีความหนาของชั้นอะตอมหนึ่งได้อย่างไร ผู้เขียนของการค้นพบบอกว่าถ้าพวกเขาไม่สามารถหาวิธีที่จะสังเกตเห็นแกรฟีนพวกเขาจะไม่ถูกค้นพบในวันนี้

เทคนิคอันชาญฉลาดสำหรับการสังเกตแกรฟีนคือการสร้างพื้นผิวผลึกสองมิติบนพื้นผิวซิลิกอนออกไซด์ จากนั้นก็สังเกตเห็นแกรฟีนภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงทั่วไป ตาข่ายคริสตัลแกรฟีนที่ถูกต้องสร้างรูปแบบการรบกวนซึ่งนักวิจัยสังเกต

โอกาสสำหรับการใช้ประโยชน์ของกราฟีน

การค้นพบแกรฟีนทำให้เกิดปฏิกิริยาคล้ายกับระเบิดที่ระเบิด หลังจากหลายทศวรรษของความเชื่อมั่นอย่างเต็มที่ว่าไม่มีการดัดแปลงคาร์บอนแบบสองมิติทันใดนั้นกลับกลายเป็นว่าด้วยความช่วยเหลือของกระบวนการง่ายๆที่สามารถรับได้ในปริมาณที่ไม่ จำกัด แต่ทำไม

ความจริงก็คือการดัดแปลงของคาร์บอนนั้นมีคุณสมบัติที่นักวิทยาศาสตร์มักยับยั้งไม่ให้สิ่งที่ยอดเยี่ยมมหัศจรรย์ยอดเยี่ยมและไม่เหมือนใคร และพวกเขาสามารถเชื่อถือได้ มีการใช้งานวัสดุหลายร้อยรายการในวันนี้และทุกสัปดาห์จะปรากฏขึ้น ข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติใหม่ของกราฟีน

แม้แต่รายการสั้น ๆ ก็น่าประทับใจ: ไมโครชิปที่มีความหนาแน่นมากกว่า 10,000 ล้านทรานซิสเตอร์ต่อเอฟเฟกต์ต่อตารางเซนติเมตรคอมพิวเตอร์ควอนตัมเซ็นเซอร์ขนาดไม่กี่นาโนเมตรมีเฉพาะในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น และยังมีแบตเตอรี่ที่ชาร์จใหม่ได้ความจุที่ยอดเยี่ยมเครื่องกรองน้ำที่ดักจับสิ่งสกปรกและอื่น ๆ อีกมากมาย

คุณสมบัติพิเศษของกราฟีนช่วยให้ไม่เพียง แต่กำจัดความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังสามารถเปลี่ยนกลับเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อีกด้วย เนื่องจากตะแกรงกราฟีน (เครื่องบิน) มีความหนาหนึ่งชั้นของอะตอมมิกมันเป็นเรื่องง่ายที่จะทำนายว่าความหนาแน่นขององค์ประกอบบนชิปจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและสามารถเข้าถึงทรานซิสเตอร์ได้ 10 พันล้านต่อตารางเซนติเมตร ปัจจุบันมีการนำกราฟีนทรานซิสเตอร์และไมโครเซอร์กิต, เครื่องผสมความถี่, โมเดอเรเตอร์ที่ทำงานที่ความถี่สูงกว่า 10 GHz

นักพัฒนาไม่ได้มองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับการใช้ท่อนาโนคาร์บอนในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ โครงสร้างของทรานซิสเตอร์ได้ถูกนำไปใช้งานแล้วและเมื่อเร็ว ๆ นี้ผู้เชี่ยวชาญของไอบีเอ็มแสดงให้เห็นถึงวงจรขนาดเล็กที่มีหลอดนาโนหมื่น 10,000 ตัว

แน่นอนว่าวัสดุคาร์บอนไม่สามารถแทนที่ซิลิคอนในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ได้ทันที แต่การสร้างไมโครไฮบริดซึ่งใช้ประโยชน์จากวัสดุทั้งสองอยู่ในระดับการค้าแล้ว วันนั้นไม่ไกลเมื่อไมโครโปรเซสเซอร์จะปรากฏในอุปกรณ์มือถือธรรมดาพลังการประมวลผลที่จะเกินประสิทธิภาพของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทันสมัย

อย่าคิดว่าแอปพลิเคชั่นเหล่านี้เป็นเรื่องของอนาคตที่ห่างไกล ยักษ์ใหญ่ของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ - IBM, Samsung และห้องปฏิบัติการวิจัยเชิงพาณิชย์หลายแห่งได้เข้าร่วมการแข่งขันเพื่อการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ในทางปฏิบัติ ตามที่ผู้เชี่ยวชาญ ในทศวรรษหน้าแกรฟีนจะกลายเป็นวัสดุที่คุ้นเคย และบางเรื่องตลกที่ Silicon Valley ในแคลิฟอร์เนียจะต้องเปลี่ยนชื่อเป็นไฟท์