Грапхене Елецтроницс - чудо 21. века

У чланку су описане могућности за употребу графенских и угљеничних наноцевки у микроелектронику.

Слушајући замишљене аргументе владиних службеника о потреби развоја нанотехнологије, неко се нехотице чуди недоследности њихових поступака: средства која су неуспоредива са буџетом науке издвајају се за одбрану. Штавише, сада уложени новац у научна истраживања омогућит ће не само да корјенито промијени живот људи, већ ће се приближити рјешавању проблема људске бесмртности.

Када говоримо о нанотехнологији, прво ми падне на памет откриће графенских и угљеничних наноцевки. Управо са њима научници повезују искорак у пољу електронике и фармакологије у 21. веку. Стварање квантних рачунара, система за очитавање сигнала на ћелијском нивоу, нанороботи за лечење тела - ово је само мали списак могућности које се отварају. Сада су се те могућности пребациле са царства фантазије на поље лабораторијског развоја.

Посебна тема је микроелектроника. Савремени микропроцесори и меморијски чипови већ превазилазе вредност технолошких стандарда од 10 нанометара. Испред линије 4-6 нм. Али што се даље програмери крећу минијатуристичким путем, то су тежи задаци решени. Инжењери су се приближили физичким границама силиконских чипова. Они који су заинтересовани за модерне микропроцесоре знају да се њихова брзина успорава на тактној фреквенцији од око 4 ГХз и да се не повећава даље.

Силицијум је одличан материјал за микроелектронику, али има значајан недостатак - лошу топлотну проводљивост. С порастом такт фреквенције и густоће елемената, овај недостатак постаје препрека даљњем развоју микроелектронике.

Срећом, данас постоји реална прилика за коришћење алтернативних материјала. Је графен, дводимензионални облик угљеничних и угљеничних наноцевкикоји су тродимензионални кристални облик истог угљеника. Први резултати истраживања довели су до стварања графенски транзисторираде на фреквенцијама до 300 ГХз. Штавише, прототипови су задржали своје карактеристике на температурама од 125 степени Целзијуса.

Историја открића чуда од графена

Несебично сликање зидова просторија у раном детињству једноставном оловком, нисмо сумњали да се бавимо озбиљном науком - производили смо графен експерименти. Бацање родитеља који нису ценили научну вредност експеримената многе је одвратило од науке, али не свих. Током 2010. године, двојица Руса, запосленик Универзитета у Манчестеру (Велика Британија) Андреи Геим и научник из Черноголовке (Русија) Константин Новоселтсев добили су Нобелову награду за откриће графена, нову кристалну модификацију угљеника, дебљине једног атомског слоја.

Па, шта је заслуга научника и значај открића? За почетак ћемо се позабавити самим темом открића. Графен је кристална дводимензионална површина (није филм!) Дебљина једног или два атомска слоја. Најзанимљивије је да су теоретски физичари теоретски физичари „створили“ пре више од 60 година да би описали тродимензионалне структуре угљеника. Математички модел дводимензионалне решетке савршено је описао термофизичка својства графита и друге тродимензионалне модификације угљеника.

Али бројни покушаји стварања дводимензионалних кристала угљеника завршили су неуспехом. „Медвеђу“ услугу у овим претрагама пружали су теоретичари који су математички поткријепили немогућност постојања кристалних површина. Било је тешко не веровати им: на крају су то били Лео Ландау и Пеиерлс - највећи теоријски физичари 20. века.

Изнијели су неоспорне математичке аргументе да су правилне структуре равних кристала нестабилне, јер због топлотних вибрација атоми напуштају чворове таквих кристала и редослед је поремећен. Ситуацију је погоршавала чињеница да су у стварним експериментима теоријска израчунавања научника добила потпуну потврду. Идеја за синтезу графена одавно је напуштена.

И тек 2004. године научници су успели да добију, и што је најважније, да докажу да је графен стварност. Да би се добио графен, коришћена је специјална техника хемијског цепања графитних кристалних равни. Слични процеси се дешавају и при цртању оловком на грубим површинама, али захтеви за услове пилинга узорака су неизмерно строжи.

Друга потешкоћа био је доказ постојања графенске структуре. Како се може посматрати површина дебљине једног атомског слоја? Аутори открића кажу да, ако не би могли наћи начин да посматрају графен, не би били откривени до данас.

Генијална техника посматрања графена била је формирање дводимензионалне кристалне површине на подлози силицијумског оксида. А затим је графен примећен под конвенционалним оптичким микроскопом. Исправна кристална решетка графена створила је интерференцијски образац, који су истраживачи примијетили.

Изгледи за практичну примену графена

Откривање графена изазвало је реакцију сличну експлодирајућој бомби. Након деценија пуног уверења да не постоји дводимензионална модификација угљеника, изненада се испоставило да се уз помоћ прилично једноставних процеса може добити у неограниченим количинама. Али зашто?

Чињеница је да таква модификација угљеника поседује својства која, обично од стране научника, обуздавају епитете фантастичним, дивним, јединственим. И њима се може веровати. Стотине примена овог материјала је данас понуђено, а сваке недеље се појављује информације о новим карактеристикама графена.

Чак је и кратка листа импресивна: микрочипови са густоћом већом од 10 милијарди транзистора са ефектом поља по квадратном центиметру, квантни рачунари, сензори величине неколико нанометара само су у електроници. Такође пуњиве батерије фантастичног капацитета, филтери за воду који хватају нечистоћу и још много тога.

Посебна својства графена омогућавају не само ефикасно уклањање топлоте, већ и његову претворбу у електричну енергију. С обзиром да графенска решетка (равнина) има дебљину од једног атомског слоја, лако је предвидети да ће се густина елемента на чипу нагло повећати и може достићи 10 милијарди транзистора по квадратном центиметру. Већ данас су имплементирани транзистори и графенски графен, микроскопски мешачи фреквенције, модулатори који раде на фреквенцијама изнад 10 ГХз.

Програмери нису ништа мање оптимистични у погледу употребе угљених наноцевки у микроелектронику. На основу њих транзисторске структуре су већ имплементиране, а недавно су ИБМ стручњаци демонстрирали микровезу на коме је формирано 10 хиљада наноцеви.

Наравно, угљени материјали не могу одмах заменити силицијум у микроелектроники. Али стварање хибридног микроциркула, који користе оба материјала, већ је на комерцијалном нивоу. Недалеко је дан када се микропроцесори појављују у обичном мобилном уређају, чија ће рачунарска моћ премашити перформансе савремених супер-рачунара.

Немојте мислити да су све ове апликације питање далеке будућности. Дивови електронске индустрије - ИБМ, Самсунг и многе комерцијалне истраживачке лабораторије придружили су се трци за практично спровођење научних открића. Према експертима, у следећој деценији графен ће постати познати материјал. И неки се шале да ће се Силицијумска долина у Калифорнији морати преименовати у Грапхите.