Graphenelektronik - Wunder des 21. Jahrhunderts

Der Artikel beschreibt die Perspektiven für die Verwendung von Graphen und Kohlenstoffnanoröhren in der Mikroelektronik.

Wenn man den nachdenklichen Argumenten von Regierungsbeamten über die Notwendigkeit der Entwicklung der Nanotechnologie zuhört, wundert man sich unwillkürlich über die Inkonsistenz ihrer Handlungen: Mittel, die mit dem Budget der Wissenschaft nicht zu vergleichen sind, werden für die Verteidigung bereitgestellt. Darüber hinaus wird das Geld, das in die wissenschaftliche Forschung investiert wird, es jetzt ermöglichen, nicht nur das Leben der Menschen radikal zu verändern, sondern auch das Problem der menschlichen Unsterblichkeit zu lösen.

Wenn wir gerade von Nanotechnologie sprechen, denken Sie zuerst daran Entdeckung von Graphen und Kohlenstoffnanoröhren. Mit ihnen verbinden Wissenschaftler im 21. Jahrhundert einen Durchbruch auf dem Gebiet der Elektronik und Pharmakologie. Die Schaffung von Quantencomputern, Signallesesystemen auf zellulärer Ebene und Nanorobotern zur Behandlung des Körpers - dies ist nur eine kleine Liste von Möglichkeiten, die sich eröffnen. Jetzt haben sich diese Möglichkeiten vom Bereich der Fantasie zum Bereich der Laborentwicklung verlagert.

Ein besonderes Thema ist die Mikroelektronik. Moderne Mikroprozessoren und Speicherchips überwinden bereits den Wert technologischer Standards von 10 Nanometern. Vorwärtslinie 4-6 nm. Je weiter sich die Entwickler auf dem Weg der Miniaturisierung bewegen, desto schwieriger müssen die Aufgaben gelöst werden. Die Ingenieure näherten sich den physikalischen Grenzen von Siliziumchips. Diejenigen, die sich für moderne Mikroprozessoren interessieren, wissen, dass sich ihre Leistung bei einer Taktfrequenz von etwa 4 GHz verlangsamt und nicht weiter erhöht.

Silizium ist ein ausgezeichnetes Material für die Mikroelektronik, hat jedoch einen erheblichen Nachteil - eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Mit zunehmender Taktfrequenz und Elementdichte wird dieser Nachteil zu einem Hindernis für die weitere Entwicklung der Mikroelektronik.

Glücklicherweise gibt es heute eine echte Möglichkeit, alternative Materialien zu verwenden. Das Graphen, zweidimensionale Form von Kohlenstoff und Kohlenstoffnanoröhrendie eine dreidimensionale kristalline Form des gleichen Kohlenstoffs sind. Die ersten Forschungsergebnisse führten zur Schaffung von Graphen-TransistorenBetrieb bei Frequenzen bis 300 GHz. Darüber hinaus behielten die Prototypen ihre Eigenschaften bei Temperaturen von 125 Grad Celsius.

Geschichte der Entdeckung des Graphenwunders

Selbstlos die Wände von Räumen in der frühen Kindheit mit einem einfachen Bleistift bemalt, ahnten wir nicht, dass wir uns mit ernsthafter Wissenschaft beschäftigten - wir produzierten Graphenexperimente. Das Verprügeln von Eltern, die den wissenschaftlichen Wert von Experimenten nicht schätzten, wandte viele von der Wissenschaft ab, aber nicht alle. 2010 erhielten zwei Russen, ein Mitarbeiter der Universität Manchester (Großbritannien) Andrei Geim und ein Wissenschaftler aus Tschernogolowka (Russland) Konstantin Novoseltsev den Nobelpreis für die Entdeckung von Graphen, einer neuen kristallinen Modifikation von Kohlenstoff mit einer Atomschichtdicke.

Was war das Verdienst der Wissenschaftler und die Bedeutung der Entdeckung? Zunächst werden wir uns mit dem Thema Entdeckung befassen. Graphen ist eine kristalline zweidimensionale Oberfläche (kein Film!). Eine oder zwei Atomschichten dick. Das Interessanteste ist, dass theoretisch Graphen vor mehr als 60 Jahren von theoretischen Physikern „erzeugt“ wurde, um dreidimensionale Kohlenstoffstrukturen zu beschreiben. Das mathematische Modell eines zweidimensionalen Gitters beschrieb die thermophysikalischen Eigenschaften von Graphit und anderen dreidimensionalen Kohlenstoffmodifikationen perfekt.

Zahlreiche Versuche, zweidimensionale Kohlenstoffkristalle zu erzeugen, scheiterten jedoch. Der „bärische“ Dienst bei diesen Suchen wurde von Theoretikern erbracht, die die Unmöglichkeit der Existenz kristalliner Oberflächen mathematisch begründeten. Es war schwer, ihnen nicht zu glauben: Immerhin waren es Leo Landau und Peierls - die größten theoretischen Physiker des 20. Jahrhunderts.

Sie machten unbestreitbare mathematische Argumente dafür, dass reguläre flache Kristallstrukturen instabil sind, weil Aufgrund thermischer Schwingungen verlassen die Atome die Knoten solcher Kristalle und die Ordnung ist gestört. Die Situation wurde durch die Tatsache verschärft, dass in realen Experimenten die theoretischen Berechnungen von Wissenschaftlern vollständig bestätigt wurden. Die Idee, Graphen zu synthetisieren, wurde lange Zeit aufgegeben.

Und erst im Jahr 2004 konnten Wissenschaftler Graphen erhalten und vor allem beweisen, dass es Realität ist. Um Graphen zu erhalten, wurde eine spezielle Technik zur chemischen Spaltung von Graphitkristallebenen verwendet. Ähnliche Prozesse treten beim Zeichnen mit Bleistift auf rauen Oberflächen auf, aber die Anforderungen an die Schälbedingungen von Proben sind unermesslich strenger.

Die zweite Schwierigkeit war der Nachweis der Existenz einer Graphenstruktur. Wie kann man eine Oberfläche mit einer Dicke von einer Atomschicht beobachten? Die Autoren der Entdeckung sagen, dass sie bis heute nicht entdeckt worden wären, wenn sie keinen Weg gefunden hätten, Graphen zu beobachten.

Die geniale Technik zur Beobachtung von Graphen bestand darin, eine zweidimensionale kristalline Oberfläche auf einem Siliziumoxidsubstrat zu bilden. Und dann wurde Graphen unter einem herkömmlichen optischen Mikroskop beobachtet. Das richtige Graphenkristallgitter erzeugte ein Interferenzmuster, das von den Forschern beobachtet wurde.

Perspektiven für die praktische Anwendung von Graphen

Die Entdeckung von Graphen löste eine Reaktion ähnlich einer explodierenden Bombe aus. Nach Jahrzehnten voller Zuversicht, dass es keine zweidimensionale Modifikation von Kohlenstoff gibt, stellte sich plötzlich heraus, dass er mit Hilfe relativ einfacher Verfahren in unbegrenzten Mengen erhalten werden kann. Aber warum?

Tatsache ist, dass eine solche Modifikation von Kohlenstoff Eigenschaften besitzt, die, normalerweise von Wissenschaftlern eingeschränkt, Epitheta fantastisch, wunderbar und einzigartig machen. Und ihnen kann vertraut werden. Hunderte von Anwendungen dieses Materials werden heute angeboten und jede Woche erscheint Informationen zu neuen Funktionen von Graphen.

Schon eine kurze Liste ist beeindruckend: Mikrochips mit einer Dichte von mehr als 10 Milliarden Feldeffekttransistoren pro Quadratzentimeter, Quantencomputer, Sensoren von wenigen Nanometern Größe sind nur in der Elektronik vorhanden. Und auch wiederaufladbare Batterien mit fantastischer Kapazität, Wasserfilter, die Verunreinigungen auffangen und vieles mehr.

Die besonderen Eigenschaften von Graphen ermöglichen es, Wärme nicht nur effizient abzuleiten, sondern auch wieder in elektrische Energie umzuwandeln. Angesichts der Tatsache, dass das Graphengitter (Ebene) eine Dicke von einer Atomschicht hat, ist es leicht vorherzusagen, dass die Dichte des Elements auf dem Chip stark ansteigt und 10 Milliarden Transistoren pro Quadratzentimeter erreichen kann. Bereits heute implementierte Graphen-Transistoren und Mikroschaltungen, Frequenzmischer, Modulatoren, die bei Frequenzen über 10 GHz arbeiten.

Die Entwickler sind hinsichtlich des Einsatzes von Kohlenstoffnanoröhren in der Mikroelektronik nicht weniger optimistisch. Auf dieser Grundlage wurden bereits Transistorstrukturen implementiert, und kürzlich haben IBM-Spezialisten eine Mikroschaltung demonstriert, auf der 10 000 Nanoröhren gebildet wurden.

Natürlich können Kohlenstoffmaterialien Silizium in der Mikroelektronik nicht sofort ersetzen. Die Entwicklung von Hybrid-Mikroschaltungen, die beide Materialien nutzen, ist jedoch bereits auf kommerzieller Ebene. Der Tag ist nicht mehr fern, an dem Mikroprozessoren in einem normalen mobilen Gerät erscheinen werden, dessen Rechenleistung die Leistung moderner Supercomputer übertreffen wird.

Denken Sie nicht, dass all diese Anwendungen eine Frage der fernen Zukunft sind. Die Giganten der Elektronikindustrie - IBM, Samsung und viele kommerzielle Forschungslabors - haben sich dem Wettlauf um die praktische Umsetzung wissenschaftlicher Entdeckungen angeschlossen. Experten zufolge In den nächsten zehn Jahren wird Graphen zu einem vertrauten Material. Und ein Witz, dass das Silicon Valley in Kalifornien in Graphite umbenannt werden muss.