Graphene Electronics - Miracle fra det 21. århundre

Artikkelen beskriver utsiktene for bruk av grafen og karbon nanorør i mikroelektronikk.

Når man hører på de gjennomtenkte argumentene fra myndighetspersoner om behovet for å utvikle nanoteknologi, undrer man seg ufrivillig over inkonsekvensen av sine handlinger: midler som er uforlignelige med vitenskapens budsjett, er avsatt til forsvar. Dessuten vil nå pengene som er investert i vitenskapelig forskning ikke bare tillate å endre menneskers liv radikalt, men også komme i nærheten av å løse problemet med menneskelig udødelighet.

Apropos nanoteknologi, må du først tenke på funn av grafen og karbon nanorør. Det er med dem forskere forbinder et gjennombrudd innen elektronikk og farmakologi i det 21. århundre. Opprettelse av kvantecomputere, signallesesystemer på cellenivå, nanorobots for behandling av kroppen - dette er bare en liten liste over muligheter som åpnes. Nå har disse mulighetene flyttet fra fantasy-området til feltet for laboratorieutvikling.

Et spesielt tema er mikroelektronikk. Moderne mikroprosessorer og minnebrikker overvinner allerede verdien av teknologiske standarder på 10 nanometer. Fremover 4-6 nm. Men jo lenger utviklerne beveger seg langs miniatyriseringsveien, jo vanskeligere må oppgavene løses. Ingeniører kom nær de fysiske grensene for silisiumflis. De som er interessert i moderne mikroprosessorer vet at hastigheten deres reduseres med en klokkefrekvens på omtrent 4 GHz og ikke øker ytterligere.

Silisium er et utmerket materiale for mikroelektronikk, men har en betydelig ulempe - dårlig varmeledningsevne. Og med en økning i klokkefrekvens og elementtetthet, blir denne ulempen en barriere for den videre utviklingen av mikroelektronikk.

Heldigvis er det i dag en reell mulighet til å bruke alternative materialer. Det er det grafen, todimensjonal form av karbon og karbon nanorørsom er en tredimensjonal krystallinsk form av samme karbon. De aller første forskningsresultatene førte til opprettelsen av grafentransistoreropererer med frekvenser opp til 300 GHz. Prototypene beholdt dessuten egenskapene ved temperaturer på 125 grader.

Historie om oppdagelsen av grafen mirakel

Selvstendig å male veggene i rommene i tidlig barndom med en enkel blyant, mistenkte vi ikke at vi var engasjert i alvorlig vitenskap - vi produserte grafeneksperimenter. Spennende fra foreldre som ikke satte pris på den vitenskapelige verdien av eksperimenter, vendte mange bort fra vitenskapen, men ikke alle. I 2010 fikk to russere, en ansatt ved University of Manchester (Storbritannia) Andrei Geim og en vitenskapsmann fra Chernogolovka (Russland) Konstantin Novoseltsev nobelprisen for oppdagelsen av grafen, en ny krystallinsk karbonmodifisering, ett atomlag tykt.

Så hva var fordelene med forskere og betydningen av funnet? Til å begynne med vil vi behandle selve gjenstanden for oppdagelse. Grafen er en krystallinsk todimensjonal overflate (ikke en film!) Ett eller to atomlag tykke. Det mest interessante er at teoretisk grafen ble "opprettet" av teoretiske fysikere for mer enn 60 år siden for å beskrive tredimensjonale karbonstrukturer. Den matematiske modellen for et todimensjonalt gitter beskrev perfekt de termofysiske egenskapene til grafitt og andre tredimensjonale karbonmodifikasjoner.

Men mange forsøk på å lage todimensjonale karbonkrystaller endte i svikt. Den "bearish" tjenesten i disse søkene ble levert av teoretikere som matematisk underbygget umuligheten av eksistensen av krystallinske overflater. Det var vanskelig å ikke tro dem: det var tross alt Leo Landau og Peierls - 1900-tallets største teoretiske fysikere.

De fremmet ubestridelige matematiske argumenter for at vanlige flatkrystallstrukturer er ustabile, fordi på grunn av termiske vibrasjoner, forlater atomene nodene til slike krystaller, og rekkefølgen forstyrres. Situasjonen ble forverret av det faktum at i reelle eksperimenter fikk de teoretiske beregningene av forskere full bekreftelse. Ideen om å syntetisere grafen ble forlatt i lang tid.

Og først i 2004 klarte forskere å få tak i, og viktigst av alt, bevise at grafen er en realitet. For å oppnå grafen ble en spesiell teknikk for kjemisk spaltning av krystall av grafittfly brukt. Lignende prosesser oppstår når man tegner med blyant på grove overflater, men kravene til betingelsene for peeling av prøver er uendelig strengere.

Den andre vanskeligheten var beviset på eksistensen av en grafenstruktur. Hvordan kan man observere en overflate med en tykkelse på ett atomlag? Forfatterne av funnet sier at hvis de ikke kunne finne en måte å observere grafen på, ville de ikke ha blitt oppdaget i dag.

Den geniale teknikken for å observere grafen var å danne en todimensjonal krystallinsk overflate på et silisiumoksydsubstrat. Og så ble grafen observert under et konvensjonelt optisk mikroskop. Riktig grafenkrystallgitter skapte et interferensmønster, som ble observert av forskerne.

Utsikter for praktisk anvendelse av grafen

Oppdagelsen av grafen forårsaket en reaksjon som ligner på en eksploderende bombe. Etter flere tiår med full tillit til at det ikke er noen todimensjonal modifisering av karbon, viste det seg plutselig at ved hjelp av ganske enkle prosesser kan det oppnås i ubegrensede mengder. Men hvorfor?

Faktum er at en slik modifisering av karbon har egenskaper som, vanligvis behersket av forskere, gir kjennetegn fantastiske, fantastiske, unike. Og de kan stole på. Hundrevis av applikasjoner av dette materialet tilbys i dag, og hver uke vises informasjon om nye funksjoner i grafen.

Til og med en kort liste er imponerende: mikrobrikker med en tetthet på mer enn 10 milliarder felteffekttransistorer per kvadratcentimeter, kvantemaskiner, sensorer med noen få nanometer i størrelse, er bare innen elektronikk. Og også oppladbare batterier med fantastisk kapasitet, vannfiltre som fanger opp urenheter og mye mer.

De spesielle egenskapene til grafen tillater ikke bare å fjerne varme effektivt, men også å konvertere den tilbake til elektrisk energi. Gitt at grafengitteret (planet) har en tykkelse på ett atomlag, er det lett å forutsi at tettheten til elementet på brikken vil øke kraftig og kan nå 10 milliarder transistor per kvadratcentimeter. Allerede i dag implementerte grafentransistorer og mikrokretser, frekvensblandere, modulatorer som opererer med frekvenser over 10 GHz.

Utviklerne er ikke mindre optimistiske med hensyn til bruken av karbon nanorør i mikroelektronikk. Basert på dem er transistorkonstruksjoner allerede implementert, og nylig demonstrerte IBM-spesialister en mikrokrets som 10 tusen nanorør ble dannet på.

Selvfølgelig kan ikke karbonmaterialer erstatte silisium i mikroelektronikk. Men etableringen av hybride mikrokretser, som utnytter begge materialene, er allerede på det kommersielle nivået. Ikke langt unna er dagen da mikroprosessorer vises i en vanlig mobil enhet, hvis datakraft vil overstige ytelsen til moderne superdatamaskiner.

Tror ikke at alle disse applikasjonene er et spørsmål om den fjerne fremtiden. Gigantene i den elektroniske industrien - IBM, Samsung og mange kommersielle forskningslaboratorier har gått med i løpet for praktisk implementering av vitenskapelig oppdagelse. I følge eksperter, i løpet av det neste tiåret vil grafen bli kjent materiale. Og noen spøk om at Silicon Valley i California må bli gitt nytt navn til grafitt.