Graphene Electronics - zázrak 21. storočia

Článok popisuje možnosti použitia grafénových a uhlíkových nanorúrok v mikroelektronike.

Počúvajúc premyslené argumenty vládnych predstaviteľov o potrebe rozvoja nanotechnológií sa nedobrovoľne diví nekonzistentnosťou ich konania: na obranu sa vyčleňujú prostriedky, ktoré sú neporovnateľné s rozpočtom vedy. Okrem toho teraz peniaze investované do vedeckého výskumu umožnia nielen radikálne zmeniť životy ľudí, ale priblížia sa tiež k riešeniu problému ľudskej nesmrteľnosti.

Keď už hovoríme o nanotechnológiách, na prvé príde na myseľ objav grafénových a uhlíkových nanorúrok, Vedci s nimi spájajú prielom v oblasti elektroniky a farmakológie v 21. storočí. Tvorba kvantových počítačov, systémy na čítanie signálov na bunkovej úrovni, nanoroboty na ošetrenie tela - to je len malý zoznam príležitostí, ktoré sa otvárajú. Teraz sa tieto príležitosti presunuli z oblasti fantázie do oblasti laboratórneho vývoja.

Osobitnou témou je mikroelektronika. Moderné mikroprocesory a pamäťové čipy už prekonávajú hodnotu technologických štandardov 10 nanometrov. Predná čiara 4 až 6 nm. Ale čím viac sa vývojári pohybujú po ceste miniaturizácie, tým ťažšie je potrebné vyriešiť úlohy. Inžinieri sa priblížili fyzikálnym limitom kremíkových čipov. Tí, ktorí sa zaujímajú o moderné mikroprocesory, vedia, že ich výkon sa spomalil pri frekvencii približne 4 GHz a ďalej sa nezvyšuje.

Kremík je vynikajúci materiál pre mikroelektroniku, má však výraznú nevýhodu - nízku tepelnú vodivosť. A so zvýšením frekvencie hodín a hustoty prvkov sa táto nevýhoda stáva prekážkou ďalšieho rozvoja mikroelektroniky.

Našťastie dnes existuje skutočná príležitosť používať alternatívne materiály. Je to tak grafén, dvojrozmerná forma uhlíka a uhlíkových nanorúrokktoré sú trojrozmernou kryštalickou formou rovnakého uhlíka. Úplne prvé výsledky výskumu viedli k vytvoreniu grafénové tranzistorypracujúce pri frekvenciách do 300 GHz. Prototypy si navyše zachovali svoje vlastnosti pri teplotách 125 stupňov Celzia.

História objavenia grafenového zázraku

Nezištne maľovali steny miestností v ranom detstve jednoduchou ceruzkou, netušili sme, že sa zaoberáme vážnymi vedami - vyrábali sme grafénové experimenty, Hádzanie od rodičov, ktorí neocenili vedeckú hodnotu experimentov, odvrátilo mnoho ľudí od vedy, ale nie od všetkých. V roku 2010 dvaja Rusi, zamestnanec University of Manchester (Veľká Británia), Andrei Geim a vedec z Chernogolovky (Rusko) Konstantin Novoseltsev, dostali Nobelovu cenu za objav grafénu, novú kryštalickú modifikáciu uhlíka, silnú jednu atómovú vrstvu.

Aký bol teda prínos pre vedcov a význam objavu? Najprv sa budeme venovať téme objavu. Grafén je kryštalický dvojrozmerný povrch (nie film!) Jedna alebo dve atómové vrstvy sú hrubé. Najzaujímavejšie je, že teoreticky grafen „teoreticky“ vytvorili teoretici pred viac ako 60 rokmi, aby opísali trojrozmerné uhlíkové štruktúry. Matematický model dvojrozmernej mriežky dokonale opísal termofyzikálne vlastnosti grafitu a ďalšie trojrozmerné modifikácie uhlíka.

Mnohé pokusy vytvoriť dvojrozmerné uhlíkové kryštály však zlyhali. „Medvedí“ službu v týchto prieskumoch poskytovali teoretici, ktorí matematicky zdôvodnili nemožnosť existencie kryštalických povrchov. Bolo ťažké tomu neveriť: koniec koncov to boli Leo Landau a Peierls - najväčší teoretickí fyzici 20. storočia.

Urobili nepopierateľné matematické argumenty, že pravidelné štruktúry s plochými kryštálmi sú nestabilné, pretože v dôsledku tepelných vibrácií atómy opúšťajú uzly takýchto kryštálov a ich poradie je narušené. Situáciu zhoršila skutočnosť, že v skutočných experimentoch boli teoretické výpočty vedcov úplne potvrdené. Myšlienka syntetizácie grafénu bola dlho opustená.

Až v roku 2004 vedci dokázali získať, a čo je najdôležitejšie, dokázať, že grafén je realita. Na získanie grafénu sa použila špeciálna technika chemického štiepenia grafitových kryštalických rovín. Podobné procesy sa vyskytujú pri kreslení ceruzkou na drsných povrchoch, ale požiadavky na podmienky odlupovania vzoriek sú nesmierne prísnejšie.

Druhým problémom bol dôkaz existencie grafénovej štruktúry. Ako je možné pozorovať povrch s hrúbkou jednej atómovej vrstvy? Autori objavu hovoria, že keby nemohli nájsť spôsob, ako pozorovať grafén, neboli by objavení dodnes.

Dômyselnou technikou pozorovania grafénu bolo vytvorenie dvojrozmerného kryštalického povrchu na substráte oxidu kremíka. Potom bol grafén pozorovaný pod konvenčným optickým mikroskopom. Správna kryštálová mriežka grafénu vytvorila interferenčný obrazec, ktorý bol pozorovaný vedcami.

Vyhliadky na praktické využitie grafénu

Objavenie grafénu spôsobilo reakciu podobnú výbuchu bomby. Po desaťročiach plnej dôvery, že nedochádza k dvojrozmernej modifikácii uhlíka, sa náhle ukázalo, že pomocou pomerne jednoduchých procesov sa dá získať v neobmedzenom množstve. Ale prečo?

Faktom je, že takáto modifikácia uhlíka má vlastnosti, ktoré vedci zvyčajne obmedzujú a dávajú epitetom fantastické, úžasné a jedinečné. A dá sa im veriť. Dnes sú ponúkané stovky aplikácií tohto materiálu a objavuje sa každý týždeň informácie o nových vlastnostiach grafénu.

Dokonca aj krátky zoznam je pôsobivý: mikročipy s hustotou viac ako 10 miliárd tranzistorov s efektom poľa na štvorcový centimeter, kvantové počítače, senzory s veľkosťou niekoľkých nanometrov sú iba v elektronike. A tiež nabíjateľné batérie s fantastickou kapacitou, vodné filtre, ktoré zachytávajú akékoľvek nečistoty a oveľa viac.

Špeciálne vlastnosti grafénu umožňujú nielen efektívne odvádzať teplo, ale aj prevádzať ho späť na elektrickú energiu. Vzhľadom na to, že grafénová mriežka (rovina) má hrúbku jednej atómovej vrstvy, je ľahké predpovedať, že hustota prvku na čipe sa prudko zvýši a môže dosiahnuť 10 miliárd tranzistorov na štvorcový centimeter. Už dnes boli implementované grafénové tranzistory a mikroobvody, frekvenčné mixéry, modulátory pracujúce pri frekvenciách nad 10 GHz.

Vývojári nie sú o nič menej optimistickí pri používaní uhlíkových nanorúrok v mikroelektronike. Na ich základe už boli implementované tranzistorové štruktúry a nedávno IBM špecialisti demonštrovali mikroobvod, na ktorom sa vytvorilo 10 tisíc nanotrubíc.

Samozrejme uhlíkové materiály nemôžu okamžite nahradiť kremík v mikroelektronike. Vytvorenie hybridných mikroobvodov, ktoré využívajú oba materiály, je však už na komerčnej úrovni. Deň nie je ďaleko, keď sa mikroprocesory objavia v bežnom mobilnom zariadení, ktorého výpočtový výkon prekročí výkon moderných superpočítačov.

Nemyslite si, že všetky tieto aplikácie sú vecou vzdialenej budúcnosti. Obrovia elektronického priemyslu - IBM, Samsung a mnoho komerčných výskumných laboratórií sa zapojili do závodu o praktické vykonávanie vedeckého objavu. Podľa odborníkov, v nasledujúcom desaťročí sa grafén stane známym materiálom. A nejaký vtip, že Silicon Valley v Kalifornii bude musieť byť premenovaný na Graphite.