Graphene Electronics - čudo 21. stoljeća

U članku su opisane mogućnosti upotrebe grafenskih i ugljikovih nanocjevčica u mikroelektronici.

Slušajući zamišljene argumente vladinih službenika o potrebi razvoja nanotehnologije, neko se nehotice čudi nedosljednosti njihovih postupaka: sredstva koja su neusporediva s proračunom znanosti dodjeljuju se za obranu. Štoviše, sada uloženi novac u znanstvena istraživanja omogućit će ne samo da korjenito promijeni život ljudi, već će se približiti i rješavanju problema ljudske besmrtnosti.

Govoreći o nanotehnologiji, prvo mi padne na pamet otkriće grafenskih i ugljikovih nanocjevčica, Upravo s njima znanstvenici povezuju iskorak u području elektronike i farmakologije u 21. stoljeću. Stvaranje kvantnih računala, sustava za čitanje signala na staničnoj razini, nanoroboti za liječenje tijela - ovo je samo mali popis mogućnosti koje se otvaraju. Sada su se te mogućnosti premjestile iz područja mašte u polje laboratorijskog razvoja.

Posebna tema je mikroelektronika. Suvremeni mikroprocesori i memorijski čipovi već prelaze vrijednost tehnoloških standarda od 10 nanometara. Ispred linije 4-6 nm. Ali što se daljnji programeri kreću na putu minijaturizacije, to će se problemi morati rješavati. Inženjeri su se približili fizičkim granicama silicijskih čipova. Oni koji su zainteresirani za moderne mikroprocesore znaju da se njihova brzina usporava na takt frekvenciji od oko 4 GHz i ne povećava se dalje.

Silicij je izvrstan materijal za mikroelektroniku, ali ima značajan nedostatak - lošu toplinsku vodljivost. Uz porast takta i gustoće elemenata, ovaj nedostatak postaje prepreka daljnjem razvoju mikroelektronike.

Srećom, danas postoji prava prilika za korištenje alternativnih materijala. Je grafen, dvodimenzionalni oblik ugljikovih i ugljikovih nanocjevčicakoji su trodimenzionalni kristalni oblik istog ugljika. Prvi rezultati istraživanja doveli su do toga da postoje grafenski tranzistorikoji rade na frekvencijama do 300 GHz. Štoviše, prototipovi su zadržali svoje karakteristike na temperaturama od 125 Celzijevih stupnjeva.

Povijest otkrića grafenskog čuda

Nesebično slikanje zidova soba u ranom djetinjstvu jednostavnom olovkom, nismo sumnjali da se bavimo ozbiljnom znanošću - proizvodili smo grafen eksperimenti, Bacanje roditelja koji nisu cijenili znanstvenu vrijednost eksperimenata mnoge je odvratilo od znanosti, ali ne svih. Godine 2010. dvojica Rusa, zaposlenik Sveučilišta u Manchesteru (Velika Britanija) Andrei Geim i znanstvenik iz Chernogolovke (Rusija) Konstantin Novoseltsev dobili su Nobelovu nagradu za otkriće grafena, novu kristalnu modifikaciju ugljika, debljine jednog atomskog sloja.

Pa, što je bila zasluga znanstvenika i značaj otkrića? Za početak ćemo se pozabaviti samim temom otkrića. Grafen je kristalna dvodimenzionalna površina (ne film!) Debljina jednog ili dva atomska sloja. Najzanimljivije je da su teoretski fizičari teoretski fizičari „stvorili“ prije više od 60 godina kako bi opisali trodimenzionalne strukture ugljika. Matematički model dvodimenzionalne rešetke savršeno je opisao termofizička svojstva grafita i ostale trodimenzionalne modifikacije ugljika.

No brojni pokušaji stvaranja dvodimenzionalnih kristala ugljika završili su neuspjehom. "Medvjeđu" uslugu u tim pretragama pružili su teoretičari koji su matematički dokazali nemogućnost postojanja kristalnih površina. Bilo je teško ne vjerovati im: na kraju su to bili Leo Landau i Peierls - najveći teorijski fizičari 20. stoljeća.

Iznijeli su neosporne matematičke argumente da su pravilne strukture ravnih kristala nestabilne, jer zbog toplinskih vibracija atomi napuštaju čvorove takvih kristala i red je poremećen. Situaciju je pogoršavala činjenica da su u stvarnim eksperimentima teorijski proračuni znanstvenika dobili potpunu potvrdu. Ideja o sinteziranju grafena odavno je napuštena.

I tek 2004. godine, znanstvenici su uspjeli dobiti, i što je najvažnije, dokazati da je grafen stvarnost. Za dobivanje grafena korištena je posebna tehnika kemijskog cijepanja grafitnih kristalnih ravnina. Slični se procesi događaju pri crtanju olovkom na grubim površinama, ali zahtjevi za uvjetima pilinga uzoraka neizmjerno su stroži.

Druga poteškoća bio je dokaz postojanja grafenske strukture. Kako se može promatrati površina debljine jednog atomskog sloja? Autori otkrića kažu da, ako ne bi uspjeli pronaći način da promatraju grafen, ne bi bili otkriveni do danas.

Genijalna tehnika promatranja grafena bila je oblikovanje dvodimenzionalne kristalne površine na podlozi silicijevog oksida. A zatim je grafen uočen pod uobičajenim optičkim mikroskopom. Ispravna rešetka kristalne grafen stvorila je interferencijski uzorak, koji su primijetili istraživači.

Izgledi za praktičnu primjenu grafena

Otkriće grafena izazvalo je reakciju sličnu eksplodirajućoj bombi. Nakon desetljeća punog pouzdanja da ne postoji dvodimenzionalna modifikacija ugljika, iznenada se pokazalo da se uz pomoć prilično jednostavnih procesa može dobiti u neograničenim količinama. Ali zašto?

Činjenica je da takva modifikacija ugljika posjeduje svojstva koja, obično obuzdavaju znanstvenici, daju epitetima fantastične, divne, jedinstvene. A u njih se može vjerovati. Stotine primjena ovog materijala nudi se danas, a pojavljuje se svaki tjedan informacije o novim značajkama grafena.

Čak je i kratki popis impresivan: mikročipovi s gustoćom većom od 10 milijardi tranzistora s efektom polja na kvadratni centimetar, kvantna računala, senzori veličine nekoliko nanometara nalaze se samo u elektronici. I također punjive baterije fantastičnog kapaciteta, filteri za vodu koji hvataju nečistoću i još mnogo toga.

Posebna svojstva grafena omogućuju ne samo učinkovito uklanjanje topline, već i njegovo pretvaranje u električnu energiju. S obzirom da grafenska rešetka (ravnina) ima debljinu jednog atomskog sloja, lako je predvidjeti da će se gustoća elementa na čipu naglo povećati i može doseći 10 milijardi tranzistora po kvadratnom centimetru. Već danas implementirani tranzistori i grafenski grafen, mikroskopski mikseri, modulatori koji rade na frekvencijama većim od 10 GHz.

Programeri nisu ništa manje optimistični u pogledu uporabe ugljikovih nanocjevčica u mikroelektroniku. Na temelju njih tranzistorske strukture već su implementirane, a nedavno su IBM-ovi stručnjaci demonstrirali mikrovezu na kojoj je formirano 10 tisuća nanocjevčica.

Naravno, ugljični materijali ne mogu odmah zamijeniti silicij u mikroelektronici. No, stvaranje hibridnih mikro krugova koji koriste oba materijala već je na komercijalnoj razini. Nedaleko je dana kada se mikroprocesori pojavljuju u običnom mobilnom uređaju, čija će računalna snaga nadmašiti performanse modernih superračunala.

Nemojte misliti da su sve ove aplikacije pitanje daleke budućnosti. Divovi elektroničke industrije - IBM, Samsung i mnogi komercijalni istraživački laboratoriji pridružili su se utrci za praktično provođenje znanstvenih otkrića. Prema stručnjacima, u sljedećem desetljeću grafen će postati poznati materijal. A neki se šale kako će se Silicijska dolina u Kaliforniji morati preimenovati u Graphite.