Grafeenielektroniikka - 2000-luvun ihme

Artikkelissa kuvataan grafeenin ja hiilinanoputkien käyttömahdollisuuksia mikroelektroniikassa.

Kuunnellessaan valtion virkamiesten harkittuja väitteitä nanoteknologian kehittämisen tarpeesta ihmettelee tahattomasti toimiensa epäjohdonmukaisuutta: puolustukseen osoitetaan tieteen talousarvioon verrattomia varoja. Lisäksi nyt tieteelliseen tutkimukseen sijoitetut varat antavat paitsi muuttaa ihmisten elämää radikaalisti, vaan myös lähestyä ihmisen kuolemattomuuden ongelman ratkaisemista.

Nanoteknologiasta puhutaan ensin mielessä grafeenin ja hiilinanoputkien löytäminen. Juuri heidän kanssaan tutkijat yhdistävät läpimurron elektroniikan ja farmakologian alalla 2000-luvulla. Kvanttitietokoneiden, signaalinlukujärjestelmien luominen solutasolla, nanorobotit kehon hoitamiseksi - tämä on vain pieni luettelo mahdollisuuksista, jotka avautuvat. Nyt nämä mahdollisuudet ovat siirtyneet fantasian alueelta laboratorion kehittämisen kenttään.

Erityinen aihe on mikroelektroniikka. Nykyaikaiset mikroprosessorit ja muistisirut ylittävät jo 10 nanometrin teknisten standardien arvon. Etupään linja 4-6 nm. Mutta mitä kauempana kehittäjät liikkuvat miniatyyristyspolkua pitkin, sitä vaikeammat tehtävät on ratkaistava. Insinöörit olivat lähellä piisirun fyysisiä rajoja. Moderneista mikroprosessoreista kiinnostuneet tietävät, että niiden suorituskyky hidastui noin 4 GHz: n kellotaajuudella eikä lisää.

Pii on erinomainen materiaali mikroelektroniikkaan, mutta sillä on merkittävä haitta - heikko lämmönjohtavuus. Ja kun kellotaajuus ja elementti tiheys lisääntyvät, tästä puutteesta tulee este mikroelektroniikan jatkokehitykselle.

Onneksi tänään on todellinen mahdollisuus käyttää vaihtoehtoisia materiaaleja. Se on grafeeni, hiilen kaksiulotteinen muoto ja hiilinanoputketjotka ovat saman hiilen kolmiulotteinen kiteinen muoto. Aivan ensimmäiset tutkimustulokset johtivat tutkimustulosten luomiseen grafeenitransistorittoimivat jopa 300 GHz: n taajuuksilla. Lisäksi prototyypit säilyttivät ominaisuutensa lämpötilassa 125 celsiusastetta.

Grafeen ihmeen löytämisen historia

Maalaamalla huoneiden seiniä epätoivoisesti varhaislapsuudessa yksinkertaisella kynällä, emme epäillä, että harjoitamme vakavaa tiedettä - tuotimme grafeenikokeet. Heittäminen vanhemmilta, jotka eivät arvostelleet kokeiden tieteellistä arvoa, kääntyivät monet tiedestä, mutta eivät kaikki. Kaksi venäläistä, Manchesterin yliopiston työntekijä Andrei Geim ja Tšernogolovkan (Venäjä) tutkija Konstantin Novoseltsev saivat vuonna 2010 Nobel-palkinnon grafeenin, uuden hiilen kiteisen muunnoksen, yhden atomikerroksen paksuisesta, löytämisestä.

Joten mikä oli tutkijoiden ansio ja löytön merkitys? Aluksi käsittelemme löytöaihetta. Grafeeni on kiteinen kaksiulotteinen pinta (ei kalvo!) Yksi tai kaksi atomikerrosta paksu. Mielenkiintoisin on, että teoreettisesti fysiikat ovat "luoneet" teoreettisesti grafeenin yli 60 vuotta sitten kuvaamaan kolmiulotteisia hiilirakenteita. Kaksiulotteisen hilan matemaattinen malli kuvasi täydellisesti grafiitin ja muiden kolmiulotteisten hiilimuutosten termofysikaalisia ominaisuuksia.

Mutta lukuisat yritykset luoda kaksiulotteisia hiilikiteitä päättyivät epäonnistumiseen. Näiden hakujen "karhumaisen" palvelun tarjosivat teoreetikot, jotka perustelivat matemaattisesti kiteisten pintojen olemassaolon mahdottomuutta. Oli vaikea olla uskomatta heitä: olihan Leo Landau ja Peierls - 1900-luvun suurimpia teoreettisia fyysikoita.

He esittivät kiistattomia matemaattisia perusteluja siitä, että säännölliset litteiden kiderakenteet ovat epävakaita, koska termisten värähtelyjen vuoksi atomit poistuvat tällaisten kiteiden solmuista ja järjestys on häiriintynyt. Tilannetta pahensi se, että todellisissa kokeissa tutkijoiden teoreettiset laskelmat saivat täydellisen vahvistuksen. Ajatus grafeenin syntetisoinnista hylättiin pitkään.

Ja vasta vuonna 2004 tutkijat pystyivät saamaan ja mikä tärkeintä, todistamaan, että grafeeni on todellisuus. Grafeenin saamiseksi käytettiin erityistä tekniikkaa grafiittikiteisten koneiden kemialliseksi pilkkomiseksi. Samanlaisia ​​prosesseja tapahtuu piirtämällä kynällä karkeille pinnoille, mutta näytteiden kuorintaolosuhteita koskevat vaatimukset ovat mittaamattoman tiukempia.

Toinen vaikeus oli todiste grafeenirakenteen olemassaolosta. Kuinka voidaan havaita yhden atomikerroksen paksuinen pinta? Löytön kirjoittajat sanovat, että jos he eivät löytäisivät tapaa havaita grafeenia, heitä ei olisi löydetty tähän päivään asti.

Nerokas tekniikka grafeenin havaitsemiseksi oli muodostaa kaksiulotteinen kiteinen pinta piioksidisubstraatille. Ja sitten grafeeni havaittiin tavanomaisella optisella mikroskoopilla. Oikea grafeenikidehila loi häiriökuvion, jonka tutkijat havaitsivat.

Grafeenin käytännön sovellusten näkymät

Grafeenin löytö aiheutti räjähtävän pommin kaltaisen reaktion. Vuosikymmenien ajan olleen täysin varma siitä, että hiilessä ei ole kaksiulotteista muuntelua, yhtäkkiä kävi ilmi, että melko yksinkertaisten prosessien avulla sitä voidaan saada rajoittamattomina määrinä. Mutta miksi?

Tosiasia on, että sellaisella hiilen muokkauksella on ominaisuuksia, jotka tutkijoiden yleensä hillitsevät, antavat epiteetit fantastisia, ihania, ainutlaatuisia. Ja heihin voidaan luottaa. Satoja sovelluksia tätä materiaalia tarjotaan tänään, ja joka viikko ilmestyy tietoa grafeenin uusista ominaisuuksista.

Jopa lyhyt luettelo on vaikuttava: mikrosirut, joiden tiheys on yli 10 miljardia kenttäteho-transistoria neliö senttimetriä kohti, kvantitietokoneet, muutaman nanometrin mittaiset anturit ovat vain elektroniikassa. Ja myös ladattavat paristot, joiden kapasiteetti on fantastinen, vesisuodattimet, jotka vangitsevat kaikki epäpuhtaudet ja paljon muuta.

Grafeenin erityisten ominaisuuksien ansiosta lämpö voidaan tehokkaasti poistaa myös muuntaa se takaisin sähköenergiaksi. Koska grafeenihila (taso) on yhden atomikerroksen paksuus, on helppo ennustaa, että sirun elementin tiheys kasvaa voimakkaasti ja voi nousta 10 miljardiin transistoriin neliösentimetriä kohti. Jo tänään toteutettiin grafeenitransistorit ja mikrosirut, taajuusmikserit, modulaattorit, jotka toimivat yli 10 GHz: n taajuuksilla.

Kehittäjät eivät ole yhtä optimistisia hiilinanoputkien käytön suhteen mikroelektroniikassa. Niiden perusteella transistorirakenteet on jo toteutettu, ja äskettäin IBM: n asiantuntijat osoittivat mikropiirin, jolle muodostettiin 10 tuhatta nanoputkea.

Hiilimateriaalit eivät tietenkään voi välittömästi korvata piitä mikroelektroniikassa. Mutta molemmat materiaalit hyödyntävien hybridi-mikropiirien luominen on jo kaupallisella tasolla. Päivä ei ole kaukana, kun mikroprosessorit ilmestyvät tavalliseen mobiililaitteeseen, jonka laskentateho ylittää nykyaikaisten supertietokoneiden suorituskyvyn.

Älä usko, että kaikki nämä sovellukset ovat kaukaisen tulevaisuuden asia. Elektroniikkateollisuuden jättiläiset - IBM, Samsung ja monet kaupalliset tutkimuslaboratoriot - liittyivät kilpailuun tieteellisten löytöjen käytännön toteuttamisesta. Asiantuntijoiden mukaan seuraavan vuosikymmenen aikana grafeenista tulee tuttua materiaalia. Ja jotkut vitsit, että Kalifornian Piilaakso on nimettävä uudelleen grafiittiksi.