Grafeno elektronika - XXI amžiaus stebuklas

Straipsnyje aprašomos grafeno ir anglies nanovamzdelių naudojimo mikroelektronikoje perspektyvos.

Klausydamasis apgalvotų valstybės tarnautojų argumentų apie būtinybę vystyti nanotechnologijas, nevalingai stebisi jų veiksmų nenuoseklumu: gynybai skiriamos lėšos, nepalyginamos su mokslo biudžetu. Be to, dabar į mokslinius tyrimus investuoti pinigai leis ne tik radikaliai pakeisti žmonių gyvenimus, bet ir priartės prie žmogaus nemirtingumo problemos sprendimo.

Kalbant apie nanotechnologijas, pirmiausia atminkite grafeno ir anglies nanovamzdelių atradimas. Būtent su jais mokslininkai susieja proveržį elektronikos ir farmakologijos srityje XXI amžiuje. Kvantinių kompiuterių, signalų skaitymo sistemų kūrimas ląstelių lygiu, nanorobotų gydymas kūnui - tai tik mažas sąrašas galimybių, kurios atsiveria. Dabar šios galimybės perėjo nuo fantazijos srities prie laboratorijų tobulinimo srities.

Ypatinga tema yra mikroelektronika. Šiuolaikiniai mikroprocesoriai ir atminties lustai jau įveikia 10 nanometrų technologinių standartų vertę. Priešais liniją 4-6 nm. Tačiau kuo toliau kūrėjai eina miniatiūrizacijos keliu, tuo sunkiau išspręsti užduotis. Inžinieriai priartėjo prie silicio drožlių fizinių galimybių. Tie, kurie domisi šiuolaikiniais mikroprocesoriais, žino, kad jų našumas sulėtėjo esant maždaug 4 GHz takto dažniui ir toliau nedidėja.

Silicis yra puiki medžiaga mikroelektronikai, tačiau turi reikšmingą trūkumą - prastą šilumos laidumą. Padidėjus laikrodžio dažniui ir elementų tankiui, šis trūkumas tampa kliūtimi tolesnei mikroelektronikos plėtrai.

Laimei, šiandien yra reali galimybė naudoti alternatyvias medžiagas. Yra grafenas, dviejų dimensijų anglies forma ir anglies nanovamzdeliaikurios yra tos pačios anglies trimatis kristalinis pavidalas. Pirmieji tyrimų rezultatai paskatino sukurti grafeno tranzistoriaiveikiančios dažniais iki 300 GHz. Be to, prototipai išlaikė savo charakteristikas esant 125 laipsnių Celsijaus temperatūrai.

Grafeno stebuklo atradimo istorija

Nesavanaudiškai dažydami kambarių sienas ankstyvoje vaikystėje paprastu pieštuku, nė neįtarėme, kad užsiimame rimtu mokslu - gaminome grafeno eksperimentai. Pasitraukimas iš tėvų, neįvertinusių mokslinės eksperimentų vertės, daug ką atitraukė nuo mokslo, bet ne visus. 2010 m. Dviem rusams, Mančesterio universiteto (Didžioji Britanija) darbuotojui Andrejui Geimui ir mokslininkui iš Černogolovkos (Rusija) Konstantinui Novoseltsevui buvo įteikta Nobelio premija už grafeno, naujos kristalinės modifikacijos, anglies, vieno atominio sluoksnio storio, atradimą.

Taigi koks buvo mokslininkų nuopelnas ir atradimo reikšmė? Pirmiausia nagrinėsime patį atradimo dalyką. Grafenas yra kristalinis dvimatis paviršius (ne plėvelė!), Kurio storis yra vienas ar du atominiai sluoksniai. Įdomiausia tai, kad teoriškai grafeną daugiau nei prieš 60 metų „sukūrė“ teoriniai fizikai apibūdinti trimatėms anglies struktūroms. Dvimatės grotelės matematinis modelis puikiai apibūdino grafito ir kitų trijų dimensijų anglies modifikacijų termofizines savybes.

Tačiau daugybė bandymų sukurti dvimačius anglies kristalus baigėsi nesėkme. „Meškiukų“ paslaugą šiose paieškose teikė teoretikai, matematiškai pagrindę kristalinių paviršių egzistavimo negalimumą. Buvo sunku jomis netikėti: juk tai buvo Leo Landau ir Peierlsas - didžiausi XX amžiaus teoriniai fizikai.

Jie pateikė neginčijamus matematinius argumentus, kad įprastos plokščiųjų kristalų struktūros yra nestabilios, nes dėl šiluminių virpesių atomai palieka tokių kristalų mazgus ir tvarka sutrinka. Padėtį apsunkino tai, kad realiuose eksperimentuose mokslininkų teoriniai skaičiavimai sulaukė visiško patvirtinimo. Ilgai buvo atsisakyta idėjos susintetinti grafeną.

Ir tik 2004 m. Mokslininkams pavyko gauti, o svarbiausia, įrodyti, kad grafenas yra realybė. Grafenui gauti buvo naudojamas specialus grafito kristalinių plokštumų cheminio skaidymo metodas. Panašūs procesai vyksta piešiant pieštuku ant nelygių paviršių, tačiau mėginių lupimo sąlygos yra neišmatuojamai griežtesnės.

Antrasis sunkumas buvo grafeno struktūros egzistavimo įrodymas. Kaip galima stebėti paviršių, kurio storis yra vienas atominis sluoksnis? Atradimo autoriai sako, kad jei jie negalėjo rasti būdo stebėti grafeną, jie nebūtų buvę aptikti iki šiol.

Išradinga grafeno stebėjimo technika buvo sudaryti dvimatį kristalinį paviršių ant silicio oksido substrato. Tada grafenas buvo stebimas įprastu optiniu mikroskopu. Teisinga grafeno kristalų gardelė sukūrė trikdžių modelį, kurį stebėjo tyrėjai.

Grafeno praktinio taikymo perspektyvos

Grafeno atradimas sukėlė reakciją, panašią į sprogstančią bombą. Po dešimtmečių visiško pasitikėjimo, kad nėra dviejų dimensijų anglies modifikavimo, staiga paaiškėjo, kad pasitelkiant gana paprastus procesus jos galima gauti neribotais kiekiais. Bet kodėl?

Faktas yra tas, kad tokia anglies modifikacija turi savybių, kurias paprastai suvaržo mokslininkai, epitetai suteikia fantastiškų, nuostabių, nepakartojamų. Ir jais galima pasitikėti. Šiandien siūloma šimtai šios medžiagos pritaikymų, ir jie pasirodo kiekvieną savaitę informacija apie naujas grafeno savybes.

Net trumpas sąrašas yra įspūdingas: mikroschemų, kurių tankis yra daugiau kaip 10 milijardų lauko efektų tranzistorių viename kvadratiniame centimetre, kvantinių kompiuterių, kelių nanometrų dydžio jutiklių yra tik elektronikoje. Taip pat fantastiškos talpos akumuliatoriai, vandens filtrai, sulaikantys nešvarumus ir dar daugiau.

Ypatingos grafeno savybės leidžia ne tik efektyviai pašalinti šilumą, bet ir paversti ją elektros energija. Atsižvelgiant į tai, kad grafeno gardelės (plokštumos) storis yra vienas atominis sluoksnis, nesunku nuspėti, kad elemento tankis luste smarkiai padidės ir gali siekti 10 milijardų tranzistorių kvadratiniame centimetre. Jau šiandien įdiegti grafeno tranzistoriai ir mikroschemos, dažnių maišytuvai, moduliatoriai, veikiantys esant aukštesniems nei 10 GHz dažniams.

Kūrėjai ne mažiau optimistiškai vertina anglies nanovamzdelių naudojimą mikroelektronikoje. Jų pagrindu jau buvo įgyvendintos tranzistorinės struktūros, o neseniai IBM specialistai pademonstravo mikroschemą, ant kurios buvo suformuota 10 tūkstančių nanovamzdelių.

Žinoma, anglies medžiagos negali iš karto pakeisti silicio mikroelektronikoje. Bet hibridinių mikroschemų, kuriose naudojamos abi medžiagos, sukūrimas jau yra komerciniame lygmenyje. Netoli yra diena, kai įprastame mobiliajame įrenginyje atsiranda mikroprocesoriai, kurių skaičiavimo galia viršys šiuolaikinių superkompiuterių našumą.

Nemanykite, kad visos šios programos yra tolimos ateities klausimas. Varžybos dėl praktinio mokslinių atradimų prisijungė elektronikos pramonės milžinai - IBM, Samsung ir daugelis komercinių tyrimų laboratorijų. Pasak ekspertų, per artimiausią dešimtmetį grafenas taps pažįstama medžiaga. Ir kai kurie juokauja, kad Silicio slėnis Kalifornijoje turės būti pervadintas grafitu.