الجرافين إلكترونيات - القرن 21 معجزة

توضح المقالة احتمالات استخدام أنابيب الجرافين وأنابيب الكربون في الإلكترونيات الدقيقة.

عند الاستماع إلى الحجج المدروسة للمسؤولين الحكوميين حول الحاجة إلى تطوير تقنية النانو ، يعجب أحدهم عن غير قصد بتعارض أعمالهم: يتم تخصيص أموال لا تضاهى مع ميزانية العلوم للدفاع. علاوة على ذلك ، فإن الأموال المستثمرة الآن في البحث العلمي لن تسمح فقط بتغيير حياة الناس جذريًا ، ولكن أيضًا تقترب من حل مشكلة خلود الإنسان.

الحديث عن تكنولوجيا النانو ، أولا تتبادر إلى الذهن اكتشاف الجرافين وأنابيب الكربون النانوية. يربط العلماء معهم طفرة في مجال الإلكترونيات والصيدلة في القرن الحادي والعشرين. إن إنشاء أجهزة كمبيوتر كمومية ، وأنظمة قراءة الإشارات على المستوى الخلوي ، وروبوتات نانوية لعلاج الجسم - هذه مجرد قائمة صغيرة من الفرص التي تنفتح. الآن انتقلت هذه الفرص من عالم الخيال إلى مجال تطوير المختبرات.

موضوع خاص هو الالكترونيات الدقيقة. تتغلب المعالجات الدقيقة الحديثة ورقائق الذاكرة بالفعل على قيمة المعايير التكنولوجية التي تبلغ 10 نانومتر. قبل خط 4-6 نانومتر. ولكن كلما استمر المطورون في السير على طريق التصغير ، زادت صعوبة حل المهام. اقترب المهندسون من الحدود المادية لرقائق السيليكون. أولئك الذين يهتمون بالمعالجات الدقيقة الحديثة يعرفون أن أدائهم تباطأ على مدار الساعة حوالي 4 غيغاهرتز ولا يزيد.

يعتبر السيليكون مادة ممتازة للإلكترونيات الدقيقة ، ولكن لديه عيبًا كبيرًا - ضعف التوصيل الحراري. ومع زيادة وتيرة الساعة وكثافة العناصر ، يصبح هذا العائق عائقًا أمام التطوير الإضافي للإلكترونيات الدقيقة.

لحسن الحظ ، هناك اليوم فرصة حقيقية لاستخدام مواد بديلة. إنه كذلك الجرافين ، شكل ثنائي الأبعاد من أنابيب الكربون والكربون النانويةوالتي هي شكل بلوري ثلاثي الأبعاد من نفس الكربون. نتائج البحث الأولى أدت إلى إنشاء الترانزستورات الجرافينتعمل على ترددات تصل إلى 300 جيجا هرتز. علاوة على ذلك ، احتفظت النماذج الأولية بخصائصها عند درجة حرارة 125 درجة مئوية.

تاريخ اكتشاف معجزة الجرافين

نكران أنفسنا لطلاء جدران الغرف في مرحلة الطفولة المبكرة بقلم رصاص بسيط ، لم نكن نشك في أننا شاركنا في علم جدي - لقد أنتجنا تجارب الجرافين. لقد سحق الكثير من الآباء والأمهات الذين لم يقدروا القيمة العلمية للتجارب الكثير من العلم ، ولكن ليس كلهم. في عام 2010 ، حصل اثنان من الروس وموظف بجامعة مانشستر (بريطانيا العظمى) أندريه جيم وعالم من تشيرنوجولوفكا (روسيا) كونستانتين نوفوسيلتسيف على جائزة نوبل لاكتشاف الجرافين ، وهو تعديل بلوري جديد للكربون ، طبقة سميكة واحدة من الكربون.

إذن ما هي ميزة العلماء وأهمية الاكتشاف؟ بادئ ذي بدء ، سنتعامل مع موضوع الاكتشاف. الجرافين هو سطح بلوري ثنائي الأبعاد (وليس فيلم!) طبقة سميكة أو طبقتان ذريتان. الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أن الجرافين نظريًا "تم إنشاؤه" من قبل علماء الفيزياء النظرية منذ أكثر من 60 عامًا لوصف هياكل الكربون ثلاثية الأبعاد. وصف النموذج الرياضي لشبكة شعرية ثنائية الأبعاد الخصائص الفيزيائية الحرارية للغرافيت والتعديلات الأخرى ثلاثية الأبعاد للكربون.

لكن المحاولات العديدة لإنشاء بلورات كربون ثنائية الأبعاد انتهت بالفشل. تم توفير الخدمة "الهابطة" في عمليات البحث هذه من قبل المنظرين الذين أثبتوا حسابيا استحالة وجود الأسطح البلورية. كان من الصعب عدم تصديقهم: بعد كل شيء ، كان ليو لانداو وبييرلس - أعظم علماء الفيزياء النظرية في القرن العشرين.

لقد قدموا حججًا رياضية لا يمكن إنكارها مفادها أن الهياكل البلورية المسطحة العادية غير مستقرة ، لأنه بسبب الاهتزازات الحرارية ، تترك الذرات العقد الخاصة بهذه البلورات وينزعج الترتيب. وقد تفاقم الوضع بسبب حقيقة أن الحسابات النظرية للعلماء في تجارب حقيقية ، حصلت على تأكيد كامل. تم التخلي عن فكرة تصنيع الجرافين لفترة طويلة.

وفقط في عام 2004 ، تمكن العلماء من الحصول ، والأهم من ذلك ، على أن الجرافين هو حقيقة واقعة. للحصول على الجرافين ، تم استخدام تقنية خاصة للانشقاق الكيميائي للطائرات البلورية الجرافيتية. تحدث عمليات مماثلة عند الرسم بالقلم الرصاص على الأسطح الخشنة ، ولكن متطلبات شروط تقشير العينات تكون أكثر صرامة إلى حد غير معقول.

الصعوبة الثانية كانت دليلا على وجود بنية الجرافين. كيف يمكن للمرء مراقبة سطح بسماكة طبقة ذرية واحدة؟ يقول مؤلفو الاكتشاف إنه إذا لم يتمكنوا من إيجاد طريقة لمراقبة الجرافين ، فلن يتم اكتشافهم حتى يومنا هذا.

كان الأسلوب المبتكر لمراقبة الجرافين هو تكوين سطح بلوري ثنائي الأبعاد على ركيزة أكسيد السيليكون. ثم لوحظ الجرافين تحت المجهر الضوئي التقليدي. خلقت شعرية الكريستال الجرافين الصحيح نمط التدخل ، والتي لاحظها الباحثون.

آفاق التطبيق العملي للجرافين

تسبب اكتشاف الجرافين في تفاعل مماثل للقنبلة المتفجرة. بعد عقود من الثقة الكاملة بعدم وجود تعديل ثنائي الأبعاد للكربون ، اتضح فجأة أنه بمساعدة عمليات بسيطة إلى حد ما ، يمكن الحصول عليها بكميات غير محدودة. لكن لماذا؟

والحقيقة هي أن مثل هذا التعديل للكربون يمتلك خواصًا ، عادةً ما يقيدها العلماء ، تعطي سمات رائعة ورائعة وفريدة من نوعها. ويمكن الوثوق بها. يتم تقديم مئات الطلبات من هذه المواد اليوم ، ويظهر كل أسبوع معلومات عن ميزات جديدة من الجرافين.

حتى القائمة المختصرة مثيرة للإعجاب: فالرقائق ذات الكثافة العالية لأكثر من 10 مليارات ترانزستور للتأثير الميداني لكل سنتيمتر مربع ، والحواسيب الكمومية ، وأجهزة الاستشعار التي لا يزيد حجمها عن بضعة نانومترات في الإلكترونيات فقط. وكذلك البطاريات القابلة لإعادة الشحن ذات السعة الرائعة ، فلاتر المياه التي تحبس أي شوائب وأكثر من ذلك بكثير.

لا تسمح الخواص الخاصة للجرافين بإزالة الحرارة بكفاءة فحسب ، بل تتيح أيضًا تحويلها مرة أخرى إلى طاقة كهربائية. بالنظر إلى أن شعرية الجرافين (المستوى) لها سمك طبقة ذرية واحدة ، فمن السهل التكهن بأن كثافة العنصر على الرقاقة ستزداد زيادة حادة ويمكن أن تصل إلى 10 مليارات ترانزستور لكل سنتيمتر مربع. نفذت بالفعل اليوم ترانزستورات الجرافين والدوائر الدقيقة ، خلاطات التردد ، المغيرات التي تعمل بترددات أعلى من 10 GHz.

لا يقل المطورون تفاؤلاً بشأن استخدام أنابيب الكربون النانوية في الإلكترونيات الدقيقة. بناءً عليها ، تم بالفعل تنفيذ هياكل الترانزستور ، ومؤخراً ، أظهر متخصصو شركة آي بي إم دائرة كهربائية صغيرة تم تشكيلها على 10 آلاف من الأنابيب النانوية.

بالطبع ، لا يمكن لمواد الكربون أن تحل محل السيليكون في الإلكترونيات الدقيقة على الفور. لكن إنشاء دوائر كهربائية صغيرة هجينة ، والتي تستفيد من كلتا المادتين ، أصبحت بالفعل على المستوى التجاري. ليس بعيد المنال هو اليوم الذي تظهر فيه المعالجات الدقيقة في جهاز محمول منتظم ، والتي تتجاوز قوة الحوسبة أداء أجهزة الكمبيوتر العملاقة الحديثة.

لا تعتقد أن كل هذه التطبيقات هي مسألة مستقبل بعيد. انضم عمالقة الصناعة الإلكترونية - IBM و Samsung والعديد من مختبرات البحوث التجارية إلى السباق من أجل التنفيذ العملي للاكتشاف العلمي. وفقا للخبراء ، في العقد المقبل ، سوف يصبح الجرافين مادة مألوفة. وبعض المزاح أن وادي السيليكون في كاليفورنيا يجب إعادة تسمية الجرافيت.