Grafén-elektronika - 21. századi csoda

A cikk leírja a grafén és a szén nanocsövek mikroelektronikában való alkalmazásának kilátásait.

A kormányzati tisztviselők elgondolkodó érveit hallgatva a nanotechnológia fejlesztésének szükségességéről, önkéntelenül csodálkozik cselekedeteik következetlenségén: a tudomány költségvetésével összehasonlíthatatlan forrásokat különítenek el a védelemre. Ráadásul a tudományos kutatásba fektetett pénz nemcsak az emberek életét radikálisan megváltoztatja, hanem az emberi halhatatlanság problémájának megoldásához is közel áll.

A nanotechnológiáról beszélve, először jut eszembe grafén és szén nanocsövek felfedezése. A tudósok velük kötik az áttörést az elektronika és a farmakológia területén a 21. században. Kvantumszámítógépek, jel-olvasó rendszerek létrehozása sejtes szinten, nanorobotok a test kezelésére - ez csak egy apró felsorolás a nyitott lehetőségekről. Most ezek a lehetőségek a fantázia birodalmából átkerültek a laboratóriumi fejlesztés területére.

Különleges téma a mikroelektronika. A modern mikroprocesszorok és memória chipsek már túllépik a 10 nanométeres technológiai szabványok értékét. A homlokvonal 4-6 nm. De minél tovább haladnak a fejlesztők a miniatürizációs úton, annál nehezebb feladatokat megoldani. A mérnökök megközelítették a szilíciumforgács fizikai korlátait. A modern mikroprocesszorok iránt érdeklõdõk tudják, hogy sebességük körülbelül 4 GHz-es frekvencián lelassul, és nem tovább növekszik.

A szilícium kiváló anyag a mikroelektronika számára, de jelentős hátránya van - gyenge hővezető képesség. Az órafrekvencia és az elemsűrűség növekedésével ez a hátrány akadályt jelent a mikroelektronika további fejlődésében.

Szerencsére ma valódi lehetőség van alternatív anyagok felhasználására. Az grafén, szén kétdimenziós formája és szén nanocsövekamelyek ugyanazon szén háromdimenziós kristályformája. A legelső kutatási eredmények a következők létrehozásához vezettek: grafén tranzisztorok300 GHz-es frekvencián működnek. Ezenkívül a prototípusok megőrizték jellemzőit 125 Celsius fokon.

A grafén csoda felfedezésének története

A kora gyermekkorban a szobák falait önzetlenül festettük egy egyszerű ceruzával, és nem gyanultunk, hogy komoly tudományban veszünk részt - grafén kísérletek. A szülektől való verés, akik nem értékelték a kísérletek tudományos értékét, sokan elfordultak a tudománytól, de nem minden. 2010-ben két orosz, Andrei Geim, a Manchesteri Egyetem alkalmazottja (Nagy-Britannia) és a Chernogolovka (Oroszország) tudós, Konstantin Novoseltsev Nobel-díjat kapott a grafén, egy szén új kristályos módosítása, egy atomréteg vastag felfedezéséért.

Szóval mi volt a tudósok érdeme és a felfedezés jelentősége? Először is a felfedezés témájával foglalkozunk. A grafén egy kristályos kétdimenziós felület (nem film!) Egy vagy két atomréteg vastag. A legérdekesebb dolog az, hogy az elméletileg a grafént az elméleti fizikusok több mint 60 évvel ezelőtt „hozták létre” a háromdimenziós szénszerkezetek leírására. A kétdimenziós rács matematikai modellje tökéletesen leírta a grafit és más háromdimenziós szénmódosítás termofizikai tulajdonságait.

A kétdimenziós szénkristályok létrehozására irányuló számos kísérlet azonban kudarcba fulladt. A „medve” szolgáltatást ezekben a kutatásokban olyan elméleti szakemberek nyújtották, akik matematikailag alátámasztották a kristályos felületek létezésének lehetetlenségét. Nehéz volt elhinni őket: elvégre Leo Landau és Peierls volt - a 20. század legnagyobb elméleti fizikusai.

Vitathatatlan matematikai érveket tettek arra vonatkozóan, hogy a szabályos lapos kristályszerkezetek instabilok, mert a termikus rezgések miatt az atomok elhagyják az ilyen kristályok csomópontjait, és a rend zavart. A helyzetet súlyosbította, hogy a valódi kísérletek során a tudósok elméleti számításai teljes megerősítést kaptak. A grafén szintézisének gondolatát hosszú ideje elhagyták.

És csak 2004-ben a tudósok tudták megszerezni, és ami a legfontosabb: bebizonyítani, hogy a grafén valóság. A grafén előállításához a grafit kristályos síkok kémiai hasítására szolgáló speciális technikát alkalmaztak. Hasonló folyamatok zajlanak a durva felületekre történő ceruzával történő rajzoláskor, de a minták hámozási körülményeire vonatkozó követelmények mérhetetlenül szigorúbbak.

A második nehézség a grafén szerkezet létezésének igazolása volt. Hogyan lehet megfigyelni egy atomréteg vastagságú felületét? A felfedezés szerzői azt mondják, hogy ha nem találnának módot a grafén megfigyelésére, akkor nem fedezték fel őket a mai napig.

A grafén megfigyelésének zseniális technikája kétdimenziós kristályos felület kialakítása volt a szilícium-oxid-szubsztrátumon. Aztán megfigyelték a grafént egy hagyományos optikai mikroszkóp alatt. A helyes grafén kristályrács interferenciamintát hozott létre, amelyet a kutatók megfigyeltek.

A grafén gyakorlati alkalmazásának kilátásai

A grafén felfedezése egy robbanó bombahoz hasonló reakciót váltott ki. Az évtizedek óta fennálló teljes bizalom után, hogy nincs szén kétdimenziós módosítása, hirtelen kiderült, hogy meglehetősen egyszerű eljárásokkal korlátlan mennyiségben állítható elő. De miért?

A helyzet az, hogy a szén ilyen módosítása olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek általában a tudósok visszafogják, fantasztikus, csodálatos és egyedi epiteteket adnak. És bízhatnak benne. Ezen anyag százainak alkalmazását kínálják ma, és minden héten megjelenik információk a grafén új funkcióiról.

Még egy rövid lista is lenyűgöző: több mint 10 milliárd terepi tranzisztor / négyzetcentiméter sűrűségű mikrochip, kvantumszámítógépek, néhány nanométer méretű érzékelők csak az elektronikában vannak. És fantasztikus kapacitású újratölthető akkumulátorok, vízszűrők, amelyek csapdákat szenvednek és még sok minden mást.

A grafén különleges tulajdonságai nemcsak a hő hatékony eltávolítását teszik lehetővé, hanem azt is villamos energiává alakítják. Tekintettel arra, hogy a grafén rács (sík) vastagsága egy atomréteg, könnyen megjósolható, hogy az elem sűrűsége hirtelen növekedni fog és elérheti a 10 milliárd tranzisztorot négyzetcentiméterenként. A mai napon már bevezett grafén tranzisztorokat és mikroáramköröket, frekvenciakeverőket, 10 GHz feletti frekvencián működő modulátorokat.

A fejlesztők nem kevésbé optimisták a szén nanocsövek mikroelektronikában való alkalmazásának szempontjából. Ezek alapján a tranzisztoros struktúrákat már bevezették, és a közelmúltban az IBM szakemberei egy mikroáramkört mutattak be, amelyen 10 ezer nanocső alakult ki.

A szénanyagok természetesen nem helyettesíthetik azonnal a szilíciumot a mikroelektronikában. De a hibrid áramkörök létrehozása, amelyek mindkét anyagot kihasználják, már kereskedelmi szinten megy. Nem messze van az a nap, amikor a mikroprocesszorok megjelennek egy szokásos mobil eszközben, amelynek számítási teljesítménye meghaladja a modern szuperszámítógépek teljesítményét.

Ne gondolja, hogy ezek az alkalmazások a távoli jövő kérdése. Az elektronikus ipar óriásai - az IBM, a Samsung és számos kereskedelmi kutatólaboratórium - csatlakoztak a tudományos felfedezések gyakorlati megvalósításának versenyéhez. A szakértők szerint a következő évtizedben a grafén ismerős anyaggá válik. És néhány vicc, hogy a kaliforniai Szilícium-völgyet grafitnak kell nevezni.