Graphene Electronics - Θαύμα του 21ου αιώνα

Το άρθρο περιγράφει τις προοπτικές για τη χρήση νανοσωληνίσκων γραφένιου και άνθρακα στη μικροηλεκτρονική.

Ακούγοντας τα προσεκτικά επιχειρήματα των κυβερνητικών αξιωματούχων σχετικά με την ανάγκη να αναπτυχθεί η νανοτεχνολογία, θαυμάζουμε ακούσια την ανακολουθία των πράξεών τους: κονδύλια ασύγκριτα με τον προϋπολογισμό της επιστήμης διατίθενται για την άμυνα. Επιπλέον, τώρα τα χρήματα που επενδύονται στην επιστημονική έρευνα θα επιτρέψουν όχι μόνο να αλλάξουν ριζικά τις ζωές των ανθρώπων, αλλά και να πλησιάσουν στην επίλυση του προβλήματος της ανθρώπινης αθανασίας.

Μιλώντας για τη νανοτεχνολογία, πρώτα έρχονται στο νου ανακάλυψη γραφενών και νανοσωλήνων άνθρακα. Είναι μαζί τους ότι οι επιστήμονες συνδέουν μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα της ηλεκτρονικής και της φαρμακολογίας στον 21ο αιώνα. Η δημιουργία κβαντικών υπολογιστών, συστημάτων ανάγνωσης σήματος σε κυψελοειδή επίπεδα, nanorobots για τη θεραπεία του σώματος - αυτό είναι μόνο ένας μικρός κατάλογος ευκαιριών που ανοίγουν. Τώρα, αυτές οι ευκαιρίες έχουν μετακινηθεί από τη σφαίρα της φαντασίας στο πεδίο της εργαστηριακής ανάπτυξης.

Ένα ειδικό θέμα είναι η μικροηλεκτρονική. Οι σύγχρονοι μικροεπεξεργαστές και μάρκες μνήμης έχουν ξεπεράσει την αξία των τεχνολογικών προτύπων των 10 νανομέτρων. Προηγούμενη γραμμή 4-6 nm. Όμως, όσο πιο πολύ οι προγραμματιστές κινούνται κατά μήκος της διαδρομής μικρογράφησης, τόσο πιο δύσκολο είναι να επιλυθούν τα καθήκοντα. Οι μηχανικοί πλησίασαν τα φυσικά όρια των τσιπ πυριτίου. Εκείνοι που ενδιαφέρονται για τους σύγχρονους μικροεπεξεργαστές γνωρίζουν ότι η ταχύτητά τους επιβραδύνεται σε συχνότητα ρολογιού περίπου 4 GHz και δεν αυξάνεται περαιτέρω.

Το πυρίτιο είναι ένα εξαιρετικό υλικό για μικροηλεκτρονική, αλλά έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα - κακή θερμική αγωγιμότητα. Και με την αύξηση της συχνότητας ρολογιού και της πυκνότητας των στοιχείων, αυτό το μειονέκτημα καθίσταται φραγμός στην περαιτέρω ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής.

Ευτυχώς, σήμερα υπάρχει μια πραγματική ευκαιρία να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικά υλικά. Είναι graφένιο, δισδιάστατη μορφή νανοσωλήνων άνθρακα και άνθρακαπου είναι μια τρισδιάστατη κρυσταλλική μορφή του ίδιου άνθρακα. Τα πρώτα ερευνητικά αποτελέσματα οδήγησαν στη δημιουργία του τρανζίστορ γραφήματοςπου λειτουργούν σε συχνότητες μέχρι 300 GHz. Επιπλέον, τα πρωτότυπα διατηρούσαν τα χαρακτηριστικά τους σε θερμοκρασίες 125 βαθμών Κελσίου.

Ιστορία της ανακάλυψης του θαύματος του γκρέφεν

Ανεξάρτητα ζωγραφίζοντας τους τοίχους των δωματίων στην πρώιμη παιδική ηλικία με ένα απλό μολύβι, δεν υποψιάσαμε ότι ασχολούσαμε με σοβαρή επιστήμη - παράχουμε πειράματα graphene. Η κατάρριψη από γονείς που δεν εκτιμούσαν την επιστημονική αξία των πειραμάτων έστρεψε πολλά μακριά από την επιστήμη, αλλά όχι όλα. Το 2010, δύο Ρώσοι, ένας υπάλληλος του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ (Μεγάλη Βρετανία) Αντρέι Γέιμ και ένας επιστήμονας από τη Chernogolovka (Ρωσία) Konstantin Novoseltsev έλαβαν το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη graphene, μια νέα κρυσταλλική τροποποίηση του άνθρακα, ένα πυκνό ατομικό στρώμα.

Ποια ήταν η αξία των επιστημόνων και η σημασία της ανακάλυψης; Αρχικά, θα ασχοληθούμε με το ίδιο το θέμα της ανακάλυψης. Το Graphene είναι μια κρυσταλλική δισδιάστατη επιφάνεια (όχι ένα φιλμ!) Ένα ή δύο ατομικά στρώματα πάχους. Το πιο ενδιαφέρον είναι ότι θεωρητικά ο γραφένιος "δημιουργήθηκε" από θεωρητικούς φυσικούς περισσότερο από 60 χρόνια πριν για να περιγράψει τρισδιάστατες δομές άνθρακα. Το μαθηματικό μοντέλο ενός δισδιάστατου πλέγματος περιγράφει τέλεια τις θερμοφυσικές ιδιότητες του γραφίτη και άλλων τρισδιάστατων τροποποιήσεων άνθρακα.

Αλλά πολλές προσπάθειες για τη δημιουργία δισδιάστατων κρυστάλλων άνθρακα κατέληξαν σε αποτυχία. Η υπηρεσία "bearish" σε αυτές τις έρευνες παρέχεται από θεωρητικούς που τεκμηρίωσαν μαθηματικά την αδυναμία ύπαρξης κρυσταλλικών επιφανειών. Ήταν δύσκολο να μην τους πιστέψεις: τελικά, ήταν ο Leo Landau και οι Peierls - οι μεγαλύτεροι θεωρητικοί φυσικοί του 20ού αιώνα.

Έκαναν αδιαμφισβήτητα μαθηματικά επιχειρήματα ότι οι τακτικές επίπεδες κρυσταλλικές δομές είναι ασταθείς, επειδή λόγω των θερμικών κραδασμών, τα άτομα αφήνουν τους κόμβους αυτών των κρυστάλλων και η τάξη διαταράσσεται. Η κατάσταση επιδεινώθηκε από το γεγονός ότι σε πραγματικά πειράματα, οι θεωρητικοί υπολογισμοί των επιστημόνων έλαβαν πλήρη επιβεβαίωση. Η ιδέα της σύνθεσης του γραφένιου εγκαταλείφθηκε για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Και μόνο το 2004, οι επιστήμονες μπόρεσαν να αποκτήσουν, και το σημαντικότερο, να αποδείξουν ότι το γκένιο είναι πραγματικότητα. Για να ληφθεί το γκφένιο, χρησιμοποιήθηκε μια ειδική τεχνική χημικής διάσπασης κρυσταλλικών επιπέδων γραφίτη. Παρόμοιες διαδικασίες συμβαίνουν όταν σχεδιάζουμε με μολύβι σε τραχείες επιφάνειες, αλλά οι απαιτήσεις για τις συνθήκες αποκόλλησης των δειγμάτων είναι απαράλλακτα αυστηρότερες.

Η δεύτερη δυσκολία ήταν η απόδειξη της ύπαρξης δομής graphene. Πώς μπορεί κάποιος να παρατηρήσει μια επιφάνεια με πάχος ενός ατομικού στρώματος; Οι συντάκτες της ανακάλυψης λένε ότι αν δεν μπορούσαν να βρουν τρόπο να παρατηρήσουν το γκράφεν, δεν θα είχαν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα.

Η έξυπνη τεχνική για την παρατήρηση του γραφένιου ήταν να σχηματίσει μια δισδιάστατη κρυσταλλική επιφάνεια πάνω σε ένα υπόστρωμα οξειδίου του πυριτίου. Και στη συνέχεια το graphene παρατηρήθηκε κάτω από ένα συμβατικό οπτικό μικροσκόπιο. Το σωστό κρυσταλλικό πλέγμα graphene δημιούργησε ένα πρότυπο παρεμβολής, το οποίο παρατηρήθηκε από τους ερευνητές.

Προοπτικές για την πρακτική εφαρμογή του γραφένιου

Η ανακάλυψη του graphene προκάλεσε μια αντίδραση παρόμοια με μια εκρήγνυται βόμβα. Μετά από δεκαετίες πλήρους εμπιστοσύνης ότι δεν υπάρχει δισδιάστατη τροποποίηση του άνθρακα, ξαφνικά αποδείχθηκε ότι με τη βοήθεια αρκετά απλών διεργασιών μπορεί να ληφθεί σε απεριόριστες ποσότητες. Αλλά γιατί;

Το γεγονός είναι ότι μια τέτοια τροποποίηση του άνθρακα διαθέτει ιδιότητες που, συνήθως συγκρατούνται από επιστήμονες, δίνουν επιθέματα φανταστική, θαυμάσια, μοναδική. Και μπορούν να εμπιστευθούν. Εκατοντάδες εφαρμογές αυτού του υλικού προσφέρονται σήμερα, και κάθε εβδομάδα εμφανίζεται πληροφορίες σχετικά με τα νέα χαρακτηριστικά του graphene.

Ακόμη και ένας μικρός κατάλογος είναι εντυπωσιακός: μικροτσίπ με πυκνότητα άνω των 10 δισεκατομμυρίων τρανζίστορ πεδίου-αποτελέσματος ανά τετραγωνικό εκατοστό, κβαντικοί υπολογιστές, αισθητήρες μερικά νανόμετρα σε μέγεθος είναι μόνο στην ηλεκτρονική. Και επίσης επαναφορτιζόμενες μπαταρίες φανταστικής χωρητικότητας, φίλτρα νερού που παγιδεύουν τυχόν ακαθαρσίες και πολλά άλλα.

Οι ειδικές ιδιότητες του γραφένιου επιτρέπουν όχι μόνο την αποτελεσματική αφαίρεση της θερμότητας αλλά και τη μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια. Δεδομένου ότι το πλέγμα graphene (αεροπλάνο) έχει πάχος ενός ατομικού στρώματος, είναι εύκολο να προβλεφθεί ότι η πυκνότητα του στοιχείου πάνω στο τσιπ θα αυξηθεί απότομα και θα φθάσει τα 10 δισεκατομμύρια τρανζίστορ ανά τετραγωνικό εκατοστό. Έχουν ήδη υλοποιήσει τρανζίστορ και μικροκυκλώματα graphene, μίκτες συχνότητας, διαμορφωτές που λειτουργούν σε συχνότητες άνω των 10 GHz.

Οι προγραμματιστές δεν είναι λιγότερο αισιόδοξοι για τη χρήση νανοσωλήνων άνθρακα στη μικροηλεκτρονική. Με βάση αυτά, έχουν ήδη εφαρμοστεί δομές τρανζίστορ και, πρόσφατα, οι ειδικοί της IBM έδειξαν ένα μικροκυκλωματικό κύκλωμα στο οποίο σχηματίστηκαν 10 χιλιάδες νανοσωλήνες.

Φυσικά, τα υλικά άνθρακα δεν μπορούν να αντικαταστήσουν άμεσα το πυρίτιο στη μικροηλεκτρονική. Αλλά η δημιουργία υβριδικών μικροκυκλωμάτων, τα οποία εκμεταλλεύονται και τα δύο υλικά, βρίσκεται ήδη στο εμπορικό επίπεδο. Η μέρα δεν είναι πολύ μακριά όταν οι μικροεπεξεργαστές θα εμφανιστούν σε μια συνηθισμένη κινητή συσκευή, η υπολογιστική ισχύς της οποίας θα υπερβεί την απόδοση των σύγχρονων υπερυπολογιστών.

Μην νομίζετε ότι όλες αυτές οι εφαρμογές είναι θέμα μακρινού μέλλοντος. Οι γίγαντες της ηλεκτρονικής βιομηχανίας - η IBM, η Samsung και πολλά εργαστήρια εμπορικών ερευνών έχουν ενταχθεί στον αγώνα για την πρακτική εφαρμογή της επιστημονικής ανακάλυψης. Σύμφωνα με τους ειδικούς, κατά την επόμενη δεκαετία, το γραφέν θα γίνει οικείο υλικό. Και κάποια αστεία ότι η Silicon Valley στην Καλιφόρνια θα πρέπει να μετονομαστεί σε γραφίτη.