Graphene Electronics - Keajaiban abad ke-21

Artikel menggambarkan prospek penggunaan graphene dan nanotube karbon dalam mikroelektronik.

Mendengar hujah-hujah para pegawai kerajaan mengenai keperluan untuk membangunkan teknologi nanoteknologi, yang secara tidak sengaja menghairankan dengan tidak konsisten tindakan mereka: dana yang tidak dapat dibandingkan dengan bajet sains diperuntukkan untuk pertahanan. Selain itu, sekarang wang yang dilaburkan dalam penyelidikan saintifik akan membolehkan bukan sahaja untuk mengubah kehidupan orang secara radikal, tetapi juga mendekati penyelesaian masalah keabadian manusia.

Bercakap mengenai nanoteknologi, mula-mula datang ke minda penemuan graphene dan nanotube karbon. Adalah dengan mereka bahawa saintis mengaitkan kejayaan dalam bidang elektronik dan farmakologi pada abad ke-21. Penciptaan komputer kuantum, sistem bacaan isyarat di peringkat selular, nanorobot untuk merawat badan - ini hanyalah senarai kecil peluang yang terbuka. Sekarang peluang ini telah berpindah dari alam fantasi ke bidang pembangunan makmal.

Satu topik khusus ialah mikroelektronik. Mikropemproses moden dan cip memori sudah mengatasi nilai standard teknologi 10 nanometer. Hadapan talian 4-6 nm. Tetapi lebih jauh pemaju bergerak sepanjang jalur pengecilan, semakin sukar tugas-tugas harus dipecahkan. Jurutera mendekati batas fizikal cip silikon. Mereka yang berminat dalam mikropemproses moden tahu bahawa kelajuan mereka perlahan pada frekuensi jam kira-kira 4 GHz dan tidak bertambah lebih jauh.

Silikon adalah bahan yang sangat baik untuk mikroelektronik, tetapi mempunyai kelemahan yang ketara - kekonduksian terma yang lemah. Dan dengan peningkatan kekerapan jam dan ketumpatan elemen, kelemahan ini menjadi penghalang kepada pembangunan mikroelektronik selanjutnya.

Mujurlah, hari ini terdapat peluang untuk menggunakan bahan alternatif. Ia adalah graphene, bentuk dua dimensi karbon dan karbon nanotubeyang merupakan bentuk kristal tiga dimensi karbon yang sama. Keputusan penyelidikan yang pertama membawa kepada penciptaan transistor grapheneberoperasi pada frekuensi sehingga 300 GHz. Selain itu, prototaip mengekalkan ciri-ciri mereka pada suhu 125 darjah Celsius.

Sejarah penemuan keajaiban graphene

Dengan tidak senonoh mengecat dinding bilik di zaman kanak-kanak dengan pensil sederhana, kami tidak mengesyaki bahawa kami terlibat dalam sains yang serius - kami menghasilkan eksperimen graphene. Tergesa-gesa dari ibu bapa yang tidak menghargai nilai saintifik eksperimen beralih jauh dari sains, tetapi tidak semua. Pada tahun 2010, dua orang Rusia, seorang pekerja Universiti Manchester (Inggeris) Andrei Geim dan seorang saintis dari Chernogolovka (Rusia) Konstantin Novoseltsev dianugerahkan Hadiah Nobel untuk penemuan graphene, pengubahsuaian kristal baru karbon, satu lapisan atom tebal.

Maka apakah manfaat saintis dan kepentingan penemuan? Untuk memulakan, kami akan menangani topik penemuan yang sangat. Graphene adalah permukaan dua dimensi kristal (bukan filem!) Satu atau dua lapisan atom tebal. Perkara yang paling menarik ialah teori graphene "dicipta" oleh ahli fizik teori lebih daripada 60 tahun yang lalu untuk menggambarkan struktur karbon tiga dimensi. Model matematik kisi dua dimensi dengan sempurna menggambarkan sifat termofilik grafit dan pengubahsuaian karbon tiga dimensi yang lain.

Tetapi banyak cubaan untuk mencipta kristal karbon dua dimensi yang berakhir dengan kegagalan. Perkhidmatan "menurun" dalam carian ini disediakan oleh ahli teori yang secara matematik membuktikan ketidakmungkinan kewujudan permukaan kristal. Sukar untuk tidak mempercayai mereka: selepas itu, Leo Landau dan Peierls - ahli fizik teori terbesar abad ke-20.

Mereka membuat hujah-hujah matematik yang tidak dapat dinafikan bahawa struktur kristal rata biasa tidak stabil, kerana kerana getaran haba, atom meninggalkan nod-kristal kristal tersebut dan susunannya terganggu. Keadaan ini diperparah oleh fakta bahawa dalam eksperimen sebenar, pengiraan teori para saintis mendapat pengesahan penuh. Ide mensintesis graphene telah ditinggalkan lama.

Dan hanya pada tahun 2004, saintis dapat memperoleh, dan yang paling penting, membuktikan bahawa graphene adalah realiti. Untuk mendapatkan graphene, satu teknik khas peleburan kimia bagi jubin grafit telah digunakan. Proses yang sama berlaku apabila melukis dengan pensil di atas permukaan kasar, tetapi keperluan untuk mengupas keadaan sampel adalah lebih ketat.

Kesukaran kedua ialah bukti kewujudan struktur graphene. Bagaimanakah seseorang dapat melihat permukaan dengan ketebalan satu lapisan atom? Penulis penemuan mengatakan bahawa jika mereka tidak dapat mencari jalan untuk melihat graphene, mereka tidak akan ditemui hingga ke hari ini.

Teknik bijak untuk memerhatikan graphene ialah membentuk permukaan kristal dua dimensi pada substrat silikon oksida. Dan kemudian graphene diperhatikan di bawah mikroskop optik konvensional. Kisi kristal graphen yang betul mencipta corak gangguan, yang diperhatikan oleh penyelidik.

Prospek untuk aplikasi praktikal graphene

Penemuan graphene menyebabkan tindak balas yang serupa dengan bom yang meletup. Setelah beberapa dekad kepercayaan penuh bahawa tidak ada pengubahsuaian dua dimensi karbon, tiba-tiba ternyata dengan bantuan proses yang agak mudah dapat diperoleh dalam jumlah yang tidak terbatas. Tetapi mengapa?

Hakikatnya ialah pengubahsuaian karbon mempunyai sifat-sifat yang, biasanya dihalang oleh saintis, memberikan epithets hebat, indah, unik. Dan mereka boleh dipercayai. Beratus-ratus permohonan bahan ini ditawarkan hari ini, dan setiap minggu muncul maklumat mengenai ciri baru graphene.

Malah senarai pendek adalah menarik: mikrocip dengan ketumpatan lebih daripada 10 bilion transistor kesan medan bagi satu sentimeter persegi, komputer kuantum, sensor beberapa nanometer dalam saiz hanya dalam elektronik. Dan juga bateri yang boleh dicas semula dengan kapasiti hebat, penapis air yang menjerat sebarang kekotoran dan banyak lagi.

Ciri-ciri khas graphene tidak hanya membenarkan keluasan haba, tetapi juga mengubahnya menjadi tenaga elektrik. Memandangkan kisi grafik (pesawat) mempunyai ketebalan satu lapisan atom, mudah untuk meramalkan bahawa ketumpatan unsur pada cip akan meningkat dengan ketara dan boleh mencapai 10 bilion transistor per centimeter persegi. Sudah hari ini diterapkan transistor graphene dan mikrosirkuit, mixer frekuensi, modulator yang beroperasi pada frekuensi di atas 10 GHz.

Para pemaju tidak kurang optimis mengenai penggunaan nanotube karbon dalam mikroelektronik. Berdasarkan kepada mereka, struktur transistor telah pun dilaksanakan, dan baru-baru ini, para pakar IBM menunjukkan sebuah mikroelektronik di mana 10 ribu nanotube dibentuk.

Sudah tentu, bahan karbon tidak dapat menggantikan silikon secara mikroelektronik dengan segera. Tetapi penciptaan rangkaian hibrid, yang memanfaatkan kedua-dua bahan, sudah berada di peringkat komersial. Tidak jauh adalah hari apabila mikropemproses muncul dalam peranti mudah alih biasa, kuasa pengkomputeran yang akan melebihi prestasi superkomputer moden.

Jangan fikir semua aplikasi ini adalah perkara masa depan yang jauh. Para gergasi industri elektronik - IBM, Samsung dan banyak makmal penyelidikan komersil telah menyertai perlumbaan untuk pelaksanaan praktikal penemuan saintifik. Menurut pakar, dalam dekad yang akan datang, graphene akan menjadi bahan biasa. Dan beberapa lelucon bahawa Lembah Silikon di California akan perlu dinamakan semula Grafit.