Graphene Electronics - Miracle fra det 21. århundrede

Artiklen beskriver udsigterne til brug af grafen og carbon nanorør i mikroelektronik.

Når man lytter til de betænkelige argumenter fra embedsmænd om behovet for at udvikle nanoteknologi, undrer man sig ufrivilligt over inkonsekvensen af ​​deres handlinger: Midler, der er uforlignelige med videnskabens budget, er afsat til forsvar. Desuden vil pengene, der investeres i videnskabelig forskning, ikke kun give mulighed for radikalt at ændre folks liv, men også komme tæt på at løse problemet med menneskelig udødelighed.

Når vi taler om nanoteknologi, skal du først tænke på opdagelse af grafen og carbon nanorør. Det er hos dem forskere forbinder et gennembrud inden for elektronik og farmakologi i det 21. århundrede. Oprettelse af kvantecomputere, signallæsningssystemer på celleniveau, nanorobots til behandling af kroppen - dette er bare en lille liste over muligheder, der åbner op. Nu er disse muligheder flyttet fra fantasyområdet til området med laboratorieudvikling.

Et specielt emne er mikroelektronik. Moderne mikroprocessorer og hukommelseschips overvinder allerede værdien af ​​teknologiske standarder på 10 nanometer. Forud på linjen 4-6 nm. Men jo længere udviklerne bevæger sig langs miniaturiseringsstien, des vanskeligere skal opgaverne løses. Ingeniører kom tæt på de fysiske grænser for siliciumchips. De, der er interesseret i moderne mikroprocessorer, ved, at deres hastighed nedsættes ved en urfrekvens på ca. 4 GHz og ikke øges yderligere.

Silicium er et fremragende materiale til mikroelektronik, men har en betydelig ulempe - dårlig varmeledningsevne. Og med en stigning i urfrekvens og elementtæthed bliver denne ulempe en barriere for den videre udvikling af mikroelektronik.

Heldigvis er der i dag en reel mulighed for at bruge alternative materialer. Det er det grafen, todimensional form af kulstof og carbon nanorørsom er en tredimensionel krystallinsk form af det samme carbon. De allerførste forskningsresultater førte til oprettelsen af grafentransistorerfungerer ved frekvenser op til 300 GHz. Endvidere bevarede prototyperne deres egenskaber ved temperaturer på 125 grader Celsius.

Historie om opdagelsen af ​​grafen mirakel

Selvløst maling af væggene i værelser i den tidlige barndom med en enkel blyant, vi havde ikke mistanke om, at vi var engageret i seriøs videnskab - vi producerede grafeneksperimenter. Spændende fra forældre, der ikke værdsatte den videnskabelige værdi af eksperimenter, vendte mange væk fra videnskaben, men ikke alle. I 2010 blev to russere, en ansat ved University of Manchester (Storbritannien) Andrei Geim og en videnskabsmand fra Chernogolovka (Rusland) Konstantin Novoseltsev tildelt Nobelprisen for opdagelsen af ​​grafen, en ny krystallinsk ændring af kulstof, et atomlag tykt.

Så hvad var forskernes fortjeneste og betydningen af ​​opdagelsen? Til at begynde med vil vi beskæftige os med selve emnet for opdagelse. Graphene er en krystallinsk todimensionel overflade (ikke en film!) Et eller to atomlag tykke. Det mest interessante er, at teoretisk grafen blev "skabt" af teoretiske fysikere for mere end 60 år siden for at beskrive tredimensionelle kulstofstrukturer. Den matematiske model for et to-dimensionelt gitter beskrev perfekt de termofysiske egenskaber ved grafit og andre tredimensionelle kulstofmodifikationer.

Men adskillige forsøg på at skabe to-dimensionelle kulstofkrystaller endte med fejl. Den "bearish" service i disse søgninger blev leveret af teoretikere, der matematisk underbyggede umuligheden af ​​eksistensen af ​​krystallinske overflader. Det var vanskeligt ikke at tro dem: det var trods alt Leo Landau og Peierls - de største teoretiske fysikere i det 20. århundrede.

De fremsatte ubestridelige matematiske argumenter for, at almindelige flade krystalstrukturer er ustabile, fordi på grund af termiske vibrationer forlader atomerne knuderne i sådanne krystaller, og rækkefølgen forstyrres. Situationen blev forværret af det faktum, at i virkelige eksperimenter fik de teoretiske beregninger af videnskabsmænd fuld bekræftelse. Ideen om grafensyntese blev forladt i lang tid.

Og først i 2004 var forskere i stand til at opnå, og vigtigst af alt, bevise, at grafen er en realitet. For at opnå grafen blev der anvendt en speciel teknik til kemisk spaltning af grafitkrystallinske planer. Lignende processer forekommer, når man tegner med blyant på ru overflader, men kravene til betingelserne for eksfoliering af prøver er uvurderligt strengere.

Den anden vanskelighed var beviset for eksistensen af ​​en grafenstruktur. Hvordan kan man observere en overflade med en tykkelse på et atomlag? Forfatterne af opdagelsen siger, at hvis de ikke kunne finde en måde at observere grafen på, ville de ikke være blevet opdaget i dag.

Den geniale teknik til at observere grafen var at danne en to-dimensionel krystallinsk overflade på et siliciumoxidsubstrat. Og derefter blev grafen observeret under et konventionelt optisk mikroskop. Den korrekte grafen krystalgitter dannede et interferensmønster, som blev observeret af forskerne.

Udsigter til praktisk anvendelse af grafen

Opdagelsen af ​​grafen forårsagede en reaktion svarende til en eksploderende bombe. Efter årtier med fuld tillid til, at der ikke er nogen todimensionel ændring af kulstof, viste det sig pludselig, at det ved hjælp af temmelig enkle processer kan fås i ubegrænsede mængder. Men hvorfor?

Faktum er, at en sådan ændring af kulstof har egenskaber, som normalt fastholdt af forskere, giver betegnelser fantastisk, vidunderligt, unikt. Og de kan stole på. Hundredvis af applikationer af dette materiale tilbydes i dag, og hver uge vises information om nye funktioner i grafen.

Selv en kort liste er imponerende: mikrochips med en massefylde på mere end 10 milliarder felteffekttransistorer pr. Kvadratcentimeter, kvantecomputere, sensorer med et par nanometer i størrelse er kun inden for elektronik. Og også genopladelige batterier med fantastisk kapacitet, vandfiltre, der fælder urenheder og meget mere.

Grafens specielle egenskaber tillader ikke kun effektivt at fjerne varme, men også omdanne den til elektrisk energi. I betragtning af at grafengitteret (planet) har en tykkelse på et atomlag, er det let at forudsige, at densiteten af ​​elementet på chippen vil stige kraftigt og kan nå 10 milliarder transistor per kvadratcentimeter. Allerede i dag implementerede grafentransistorer og mikrokredsløb, frekvensblandere, modulatorer, der fungerer ved frekvenser over 10 GHz.

Udviklerne er ikke mindre optimistiske med hensyn til brugen af ​​carbon nanorør i mikroelektronik. Baseret på dem er transistorkonstruktioner allerede implementeret, og for nylig demonstrerede IBM-specialister en mikrokredsløb, hvorpå 10.000 nanorør blev dannet.

Naturligvis kan kulstofmaterialer ikke straks erstatte silicium i mikroelektronik. Men oprettelsen af ​​hybridmikrokredsløb, der drager fordel af begge materialer, er allerede på det kommercielle niveau. Ikke langt væk er den dag, hvor mikroprocessorer vises i en almindelig mobil enhed, hvis computerkraft vil overstige ydeevnen for moderne supercomputere.

Tror ikke, at alle disse applikationer er et spørgsmål om den fjerne fremtid. Giganterne i den elektroniske industri - IBM, Samsung og mange kommercielle forskningslaboratorier er med i løbet om den praktiske implementering af videnskabelig opdagelse. Ifølge eksperter, i det næste årti vil grafen blive kendt materiale. Og en vittighed om, at Silicon Valley i Californien skal omdøbes til grafit.