Electronica grafenă - Miracolul secolului XXI

Articolul descrie perspectivele de utilizare a grafenului și nanotuburilor de carbon în microelectronică.

Ascultând argumentele gânditoare ale oficialilor guvernamentali cu privire la necesitatea dezvoltării nanotehnologiei, ne minunăm involuntar de inconsistența acțiunilor lor: fondurile incomparabile cu bugetul științei sunt alocate pentru apărare. Mai mult decât atât, acum banii investiți în cercetarea științifică vor permite nu numai să schimbe radical viața oamenilor, ci și să se apropie de rezolvarea problemei nemuririi umane.

Vorbind despre nanotehnologie, vin mai întâi în minte descoperirea grafenelor și nanotuburilor de carbon. Cercetătorii asociază o descoperire în domeniul electronicii și farmacologiei în secolul XXI. Crearea calculatoarelor cuantice, sisteme de citire a semnalelor la nivel celular, nanoroboturi pentru tratarea organismului - aceasta este doar o mică listă de oportunități care se deschid. Acum, aceste oportunități au trecut de pe tărâmul fanteziei în domeniul dezvoltării de laborator.

Un subiect special este microelectronica. Microprocesoarele moderne și cipurile de memorie depășesc deja valoarea standardelor tehnologice de 10 nanometri. Linia înainte 4-6 nm. Dar cu cât dezvoltatorii se deplasează pe calea miniaturizării, cu atât sarcinile sunt mai dificile de rezolvat. Inginerii s-au apropiat de limitele fizice ale cipurilor de siliciu. Cei interesați de microprocesoarele moderne știu că viteza lor este încetinită cu o frecvență de ceas de aproximativ 4 GHz și nu crește în continuare.

Siliciul este un material excelent pentru microelectronică, dar are un dezavantaj semnificativ - o conductivitate termică slabă. Și odată cu creșterea frecvenței ceasului și a densității elementelor, acest dezavantaj devine o barieră pentru dezvoltarea ulterioară a microelectronicii.

Din fericire, astăzi există o oportunitate reală de a utiliza materiale alternative. Este grafen, formă bidimensională a nanotuburilor de carbon și carboncare sunt o formă cristalină tridimensională a aceluiași carbon. Primele rezultate ale cercetării au dus la crearea tranzistoare grafenicecare funcționează la frecvențe de până la 300 GHz. Mai mult, prototipurile și-au păstrat caracteristicile la temperaturi de 125 de grade Celsius.

Istoria descoperirii miracolului grafenic

Pictând fără sinteză pereții încăperilor din copilărie timpurie cu un simplu creion, nu bănuiam că suntem angajați în științe serioase - am produs experimente grafenice. Aruncând de la părinți care nu au apreciat valoarea științifică a experimentelor au îndepărtat multe de știință, dar nu toate. În 2010, doi ruși, un angajat al Universității din Manchester (Marea Britanie) Andrei Geim și un om de știință din Cernogolovka (Rusia) Konstantin Novoseltsev au primit premiul Nobel pentru descoperirea grafenului, o nouă modificare cristalină a carbonului, cu un strat atomic gros.

Atunci care a fost meritul oamenilor de știință și semnificația descoperirii? Pentru început, ne vom ocupa de subiectul descoperirii. Grafenul este o suprafață cristalină bidimensională (nu o peliculă!) Unul sau două straturi atomice groase. Cel mai interesant lucru este că teoretic grafenul a fost „creat” de fizicienii teoretici acum mai bine de 60 de ani pentru a descrie structurile tridimensionale de carbon. Modelul matematic al unei grilaje bidimensionale a descris perfect proprietățile termofizice ale grafitului și ale altor modificări tridimensionale de carbon.

Dar numeroase încercări de a crea cristale bidimensionale de carbon s-au încheiat în eșec. Serviciul „bearish” din aceste căutări a fost furnizat de teoreticieni care au demonstrat matematic imposibilitatea existenței suprafețelor cristaline. Era dificil să nu le crezi: la urma urmei, a fost Leo Landau și Peierls - cei mai mari fizicieni teoretici ai secolului XX.

Au făcut argumente matematice incontestabile potrivit cărora structurile obișnuite de cristal plate sunt instabile, deoarece datorită vibrațiilor termice, atomii părăsesc nodurile unor astfel de cristale și ordinea este perturbată. Situația a fost agravată de faptul că în experimentele reale, calculele teoretice ale oamenilor de știință au primit confirmare completă. Ideea de sinteză a grafenului a fost abandonată mult timp.

Și abia în 2004, oamenii de știință au reușit să obțină și, cel mai important, să demonstreze că grafenul este o realitate. Pentru a obține grafen, a fost utilizată o tehnică specială de clivare chimică a planurilor cristaline din grafit. Procese similare apar atunci când desenăm cu creionul pe suprafețe dure, dar cerințele pentru condițiile de decojire a eșantioanelor sunt incomplet de stricte.

A doua dificultate a fost dovada existenței unei structuri de grafen. Cum se poate observa o suprafață cu grosimea unui strat atomic? Autorii descoperirii spun că, dacă nu ar putea găsi o modalitate de a observa grafenul, nu ar fi fost descoperiți până în zilele noastre.

Tehnica ingenioasă de observare a grafenului a fost formarea unei suprafețe cristaline bidimensionale pe un substrat de oxid de siliciu. Și apoi grafenul a fost observat la un microscop optic convențional. Stilurile de cristal grafice corecte au creat un model de interferență, care a fost observat de cercetători.

Perspective pentru aplicarea practică a grafenului

Descoperirea grafenului a provocat o reacție similară cu o bombă explozivă. După decenii de deplină încredere că nu există nicio modificare bidimensională a carbonului, s-a dovedit brusc că, cu ajutorul unor procese destul de simple, poate fi obținut în cantități nelimitate. Dar de ce?

Faptul este că o astfel de modificare a carbonului posedă proprietăți care, de regulă reținute de oamenii de știință, dau epitetelor fantastic, minunat, unic. Și pot fi de încredere. Sute de aplicații ale acestui material sunt oferite astăzi și apar în fiecare săptămână informații despre noile caracteristici ale grafenului.

Chiar și o listă scurtă este impresionantă: microcipurile cu o densitate mai mare de 10 miliarde de tranzistoare cu efect de câmp pe centimetru pătrat, calculatoare cuantice, senzori de câteva nanometre în dimensiune sunt doar în electronică. Și, de asemenea, baterii reîncărcabile de o capacitate fantastică, filtre de apă care captează orice impurități și multe altele.

Proprietățile speciale ale grafenului permit nu numai îndepărtarea eficientă a căldurii, ci și transformarea acesteia în energie electrică. Având în vedere că grilajul de grafen (planul) are grosimea unui strat atomic, este ușor de prezis că densitatea elementului de pe cip va crește brusc și poate ajunge la 10 miliarde tranzistor pe centimetru pătrat. Deja astăzi au implementat tranzistoare grafene și microcircuite, mixere de frecvență, modulatoare care funcționează la frecvențe peste 10 GHz.

Dezvoltatorii nu sunt mai puțin optimiști în ceea ce privește utilizarea nanotuburilor de carbon în microelectronică. Pe baza lor, structurile tranzistorului au fost deja implementate, iar recent, specialiștii IBM au demonstrat un microcircuit pe care s-au format 10 mii de nanotuburi.

Desigur, materialele din carbon nu pot înlocui imediat siliconul în microelectronică. Dar crearea de microcircuite hibride, care profită de ambele materiale, este deja la nivel comercial. Ziua nu este departe de apariția microprocesoarelor într-un dispozitiv mobil obișnuit, a cărui putere de calcul va depăși performanța supercomputerelor moderne.

Nu credeți că toate aceste aplicații sunt o problemă a viitorului îndepărtat. Giganții industriei electronice - IBM, Samsung și multe laboratoare de cercetare comercială s-au alăturat cursei pentru implementarea practică a descoperirilor științifice. Potrivit experților, în următorul deceniu, grafenul va deveni material familiar. Și unele glumesc că Silicon Valley din California va trebui să fie redenumită Graphite.