Graphene Electronics - Milagro del siglo XXI

El artículo describe las perspectivas para el uso de grafeno y nanotubos de carbono en microelectrónica.

Al escuchar los argumentos reflexivos de los funcionarios del gobierno sobre la necesidad de desarrollar nanotecnología, uno se maravilla involuntariamente de la inconsistencia de sus acciones: los fondos incomparables con el presupuesto de la ciencia se asignan para la defensa. Además, ahora el dinero invertido en investigación científica permitirá no solo cambiar radicalmente la vida de las personas, sino que también estará cerca de resolver el problema de la inmortalidad humana.

Hablando de nanotecnología, primero viene a la mente descubrimiento de grafeno y nanotubos de carbono. Es con ellos que los científicos asocian un avance en el campo de la electrónica y la farmacología en el siglo XXI. La creación de computadoras cuánticas, sistemas de lectura de señales a nivel celular, nanorobots para tratar el cuerpo: esta es solo una pequeña lista de oportunidades que se abren. Ahora estas oportunidades han pasado del ámbito de la ficción al campo del desarrollo de laboratorios.

Un tema especial es la microelectrónica. Los microprocesadores y chips de memoria modernos ya superan el valor de los estándares tecnológicos de 10 nanómetros. Línea anterior 4-6 nm. Pero cuanto más se muevan los desarrolladores a lo largo del camino de miniaturización, más difícil será resolver los problemas. Los ingenieros se acercaron a los límites físicos de los chips de silicio. Quienes estén interesados ​​en los microprocesadores modernos saben que su velocidad se reduce a una frecuencia de reloj de aproximadamente 4 GHz y no aumenta más.

El silicio es un material excelente para la microelectrónica, pero tiene un inconveniente significativo: baja conductividad térmica. Y con un aumento en la frecuencia de reloj y la densidad de elementos, este inconveniente se convierte en una barrera para el desarrollo posterior de la microelectrónica.

Afortunadamente, hoy existe una oportunidad real de utilizar materiales alternativos. Es grafeno, forma bidimensional de carbono y nanotubos de carbonoque son una forma cristalina tridimensional del mismo carbono. Los primeros resultados de la investigación condujeron a la creación de transistores de grafenooperando a frecuencias de hasta 300 GHz. Además, los prototipos conservaron sus características a temperaturas de 125 grados centígrados.

Historia del descubrimiento del milagro del grafeno

Al pintar desinteresadamente las paredes de las habitaciones en la primera infancia con un simple lápiz, no sospechamos que estábamos involucrados en una ciencia seria: produjimos experimentos de grafeno. La paliza de los padres que no apreciaban el valor científico de los experimentos alejó a muchos de la ciencia, pero no a todos. En 2010, dos rusos, un empleado de la Universidad de Manchester (Gran Bretaña) Andrei Geim y un científico de Chernogolovka (Rusia) Konstantin Novoseltsev recibieron el Premio Nobel por el descubrimiento del grafeno, una nueva modificación cristalina del carbono, una capa atómica de espesor.

Entonces, ¿cuál fue el mérito de los científicos y la importancia del descubrimiento? Para empezar, trataremos el tema mismo del descubrimiento. El grafeno es una superficie cristalina bidimensional (¡no una película!) Una o dos capas atómicas de espesor. Lo más interesante es que teóricamente el grafeno fue "creado" por físicos teóricos hace más de 60 años para describir estructuras de carbono tridimensionales. El modelo matemático de una red bidimensional describió perfectamente las propiedades termofísicas del grafito y otras modificaciones tridimensionales del carbono.

Pero numerosos intentos de crear cristales de carbono bidimensionales terminaron en fracaso. El servicio "bajista" en estas búsquedas fue prestado por teóricos que demostraron matemáticamente la imposibilidad de la existencia de superficies cristalinas. Era difícil no creerles: después de todo, eran Leo Landau y Peierls, los mejores físicos teóricos del siglo XX.

Hicieron argumentos matemáticos innegables de que las estructuras regulares de cristal plano son inestables, porque Debido a las vibraciones térmicas, los átomos abandonan los nodos de dichos cristales y el orden se ve alterado. La situación se vio agravada por el hecho de que en experimentos reales, los cálculos teóricos de los científicos recibieron una confirmación completa. La idea de sintetizar grafeno fue abandonada durante mucho tiempo.

Y solo en 2004, los científicos pudieron obtener, y lo más importante, probar que el grafeno es una realidad. Para obtener grafeno, se utilizó una técnica especial de escisión química de planos cristalinos de grafito. Procesos similares ocurren cuando se dibuja con lápiz sobre superficies rugosas, pero los requisitos para las condiciones de exfoliación de las muestras son mucho más estrictos.

La segunda dificultad fue la prueba de la existencia de una estructura de grafeno. ¿Cómo se puede observar una superficie con un espesor de una capa atómica? Los autores del descubrimiento dicen que si no pudieran encontrar una manera de observar el grafeno, no habrían sido descubiertos hasta el día de hoy.

La ingeniosa técnica para observar el grafeno fue formar una superficie cristalina bidimensional sobre un sustrato de óxido de silicio. Y luego se observó grafeno bajo un microscopio óptico convencional. La red cristalina de grafeno correcta creó un patrón de interferencia, que fue observado por los investigadores.

Perspectivas para la aplicación práctica del grafeno.

El descubrimiento del grafeno provocó una reacción similar a la explosión de una bomba. Después de décadas de plena confianza en que no existe una modificación bidimensional del carbono, de repente resultó que, con la ayuda de procesos bastante simples, se puede obtener en cantidades ilimitadas. Pero por que?

El hecho es que tal modificación del carbono posee propiedades que, generalmente restringidas por los científicos, dan epítetos fantásticos, maravillosos, únicos. Y se puede confiar en ellos. Cientos de aplicaciones de este material se ofrecen hoy, y cada semana aparece Información sobre las nuevas características del grafeno.

Incluso una lista corta es impresionante: los microchips con una densidad de más de 10 mil millones de transistores de efecto de campo por centímetro cuadrado, computadoras cuánticas, sensores de unos pocos nanómetros de tamaño son solo electrónicos. Y también baterías recargables de fantástica capacidad, filtros de agua que atrapan las impurezas y mucho más.

Las propiedades especiales del grafeno permiten no solo eliminar eficientemente el calor, sino también convertirlo nuevamente en energía eléctrica. Dado que la red de grafeno (plano) tiene un grosor de una capa atómica, es fácil predecir que la densidad del elemento en el chip aumentará considerablemente y puede alcanzar los 10 mil millones de transistores por centímetro cuadrado. Ya implementamos hoy transistores de grafeno y microcircuitos, mezcladores de frecuencia, moduladores que operan a frecuencias superiores a 10 GHz.

Los desarrolladores no son menos optimistas sobre el uso de nanotubos de carbono en microelectrónica. En base a ellos, las estructuras de transistores ya se han implementado, y recientemente, los especialistas de IBM demostraron un microcircuito en el que se formaron 10 mil nanotubos.

Por supuesto, los materiales de carbono no pueden reemplazar inmediatamente al silicio en la microelectrónica. Pero la creación de microcircuitos híbridos, que aprovechan ambos materiales, ya está a nivel comercial. No muy lejos está el día en que los microprocesadores aparecen en un dispositivo móvil normal, cuya potencia informática superará el rendimiento de las supercomputadoras modernas.

No piense que todas estas aplicaciones son una cuestión del futuro lejano. Los gigantes de la industria electrónica: IBM, Samsung y muchos laboratorios de investigación comercial se han unido a la carrera por la implementación práctica del descubrimiento científico. Según los expertos, En la próxima década, el grafeno se convertirá en material familiar. Y alguna broma de que Silicon Valley en California tendrá que renombrarse Graphite.