Grafenelektronik - 21st Century Miracle

Artikeln beskriver utsikterna för användning av grafen och kolananorör i mikroelektronik.

När man lyssnar på tankeväckande argument från regeringstjänstemän om behovet av att utveckla nanoteknologi undrar man ofrivilligt vid inkonsekvensen i deras handlingar: medel som är jämförbara med vetenskapsbudgeten avsätts för försvar. Dessutom kommer pengarna som investerats i vetenskaplig forskning inte bara att radikalt förändra människors liv utan också komma nära att lösa problemet med mänsklig odödlighet.

Om vi ​​talar om nanoteknologi kommer jag först i tankarna upptäckt av grafen- och kolananorör. Det är med dem forskarna förknippar ett genombrott inom elektronikområdet och farmakologin under 2000-talet. Skapandet av kvantdatorer, signalläsningssystem på cellnivå, nanoroboter för behandling av kroppen - detta är bara en liten lista över möjligheter som öppnas. Nu har dessa möjligheter flyttat från fantasyområdet till området laboratorieutveckling.

Ett speciellt ämne är mikroelektronik. Moderna mikroprocessorer och minneschips övervinner redan värdet på tekniska standarder på 10 nanometer. Framåt linjen 4-6 nm. Men ju längre utvecklarna rör sig längs miniatyriseringsvägen, desto svårare måste uppgifterna lösas. Ingenjörer kom nära de fysiska gränserna för kiselchips. De som är intresserade av moderna mikroprocessorer vet att deras prestanda bromsades vid en klockfrekvens på cirka 4 GHz och inte ökar ytterligare.

Kisel är ett utmärkt material för mikroelektronik, men har en betydande nackdel - dålig värmeledningsförmåga. Och med en ökning av klockfrekvens och elementtäthet blir denna nackdel en barriär för vidareutvecklingen av mikroelektronik.

Lyckligtvis finns det idag en verklig möjlighet att använda alternativa material. Det är det grafen, tvådimensionell form av kol och nanorör av kolsom är en tredimensionell kristallin form av samma kol. De allra första forskningsresultaten ledde till skapandet av grafentransistorerarbetar med frekvenser upp till 300 GHz. Prototyperna behöll dessutom sina egenskaper vid temperaturer på 125 grader Celsius.

Historia om upptäckten av grafen mirakel

Självständigt måla vi väggarna i rum i tidig barndom med en enkel penna, vi misstänkte inte att vi var engagerade i seriös vetenskap - vi producerade grafenförsök. Rasande från föräldrar som inte uppskattade det vetenskapliga värdet av experiment vände många från vetenskapen, men inte alla. 2010 fick två ryssar, en anställd vid University of Manchester (Storbritannien) Andrei Geim och en forskare från Chernogolovka (Ryssland) Konstantin Novoseltsev Nobelpriset för upptäckten av grafen, en ny kristallin modifiering av kol, ett atomlager tjockt.

Så vad var forskarnas merit och upptäcktens betydelse? Till att börja med kommer vi att behandla själva upptäcktsämnet. Grafen är en kristallin tvådimensionell yta (inte en film!) Ett eller två atomlager tjocka. Det mest intressanta är att teoretiskt grafen "skapades" av teoretiska fysiker för mer än 60 år sedan för att beskriva tredimensionella kolstrukturer. Den matematiska modellen för ett tvådimensionellt gitter beskrev perfekt de termofysiska egenskaperna hos grafit och andra tredimensionella kolmodifieringar.

Men många försök att skapa tvådimensionella kolkristaller slutade i misslyckande. Den "baisseartade" tjänsten i dessa sökningar tillhandahölls av teoretiker som matematiskt underbyggde omöjligheten för kristallina ytor. Det var svårt att inte tro dem: det var ju Leo Landau och Peierls - 1900-talets största teoretiska fysiker.

De framförde obestridliga matematiska argument för att vanliga platta kristallstrukturer är instabila, för på grund av termiska vibrationer lämnar atomerna noderna i sådana kristaller och ordningen störs. Situationen förvärrades av det faktum att i verkliga experiment fick de teoretiska beräkningarna av forskare full bekräftelse. Idén att syntetisera grafen övergavs under lång tid.

Och först 2004 kunde forskare få, och viktigast av allt, bevisa att grafen är en verklighet. För att erhålla grafen användes en speciell teknik för kemisk klyvning av grafitkristallplan. Liknande processer uppstår när man ritar med penna på grova ytor, men kraven för villkoren för exfoliering av prover är oerhört strängare.

Den andra svårigheten var beviset på att det finns en grafenstruktur. Hur kan man observera en yta med tjockleken av ett atomskikt? Författarna till upptäckten säger att om de inte kunde hitta ett sätt att observera grafen, skulle de inte ha upptäckts till denna dag.

Den geniala tekniken för att observera grafen var att bilda en tvådimensionell kristallin yta på ett kiseloxidsubstrat. Och sedan observerades grafen under ett konventionellt optiskt mikroskop. Rätt grafenkristallgitter skapade ett interferensmönster som observerades av forskarna.

Utsikter för praktisk tillämpning av grafen

Upptäckten av grafen orsakade en reaktion som liknar en exploderande bomb. Efter decennier med full förtroende för att det inte finns någon tvådimensionell modifiering av kol visade det sig plötsligt att det med hjälp av ganska enkla processer kan erhållas i obegränsade mängder. Men varför?

Faktum är att en sådan modifiering av kol har egenskaper som, vanligtvis begränsade av forskare, ger epiter fantastiska, underbara, unika. Och de kan lita på. Hundratals applikationer av detta material erbjuds idag och varje vecka visas information om nya funktioner i grafen.

Till och med en kort lista är imponerande: mikrochips med en täthet på mer än 10 miljarder fälteffekttransistorer per kvadratcentimeter, kvantdatorer, sensorer med några nanometer i storlek är bara inom elektronik. Och även uppladdningsbara batterier med fantastisk kapacitet, vattenfilter som fångar eventuella föroreningar och mycket mer.

De speciella egenskaperna hos grafen tillåter inte bara att effektivt ta bort värme utan också omvandla den till elektrisk energi. Med tanke på att grafengitteret (planet) har en tjocklek på ett atomskikt, är det lätt att förutsäga att elementets densitet kommer att öka kraftigt och kan nå 10 miljarder transistor per kvadratcentimeter. Redan idag implementerade grafentransistorer och mikrokretsar, frekvensblandare, modulatorer som arbetar med frekvenser över 10 GHz.

Utvecklarna är inte mindre optimistiska när det gäller användningen av kolananorör i mikroelektronik. Baserat på dem har transistorkonstruktioner redan implementerats, och nyligen demonstrerade IBM-specialister en mikrokrets på vilken 10 tusen nanorör bildades.

Naturligtvis kan inte kolmaterial omedelbart ersätta kisel i mikroelektronik. Men skapandet av hybridmikrokretsar, som utnyttjar båda materialen, är redan på kommersiell nivå. Inte långt borta är dagen då mikroprocessorer visas i en vanlig mobil enhet, vars datorkraft kommer att överstiga prestandan hos moderna superdatorer.

Tror inte att alla dessa applikationer är en fråga om en avlägsen framtid. Jättarna i den elektroniska industrin - IBM, Samsung och många kommersiella forskningslaboratorier har gått med i loppet för praktisk implementering av vetenskaplig upptäckt. Enligt experter, under det kommande decenniet kommer grafen att bli bekant. Och något skämt att Silicon Valley i Kalifornien måste byta namn till grafit.