Graphene Electronics - 21st Century Miracle

Het artikel beschrijft de vooruitzichten voor het gebruik van grafeen en koolstofnanobuisjes in micro-elektronica.

Als je luistert naar de doordachte argumenten van overheidsfunctionarissen over de noodzaak om nanotechnologie te ontwikkelen, verwondert iemand zich onwillekeurig over de inconsistentie van hun acties: fondsen die onvergelijkbaar zijn met het budget van de wetenschap worden toegewezen voor defensie. Bovendien zal het geld dat wordt geïnvesteerd in wetenschappelijk onderzoek niet alleen het leven van mensen radicaal veranderen, maar ook in de buurt komen van het probleem van menselijke onsterfelijkheid.

Over nanotechnologie gesproken, denk eerst aan ontdekking van grafeen en koolstofnanobuizen. Met hen associëren wetenschappers een doorbraak op het gebied van elektronica en farmacologie in de 21ste eeuw. Het creëren van kwantumcomputers, signaalleessystemen op cellulair niveau, nanorobots voor de behandeling van het lichaam - dit is slechts een kleine lijst met kansen die zich voordoen. Nu zijn deze kansen verplaatst van het rijk van de fantasie naar het gebied van laboratoriumontwikkeling.

Een speciaal onderwerp is micro-elektronica. Moderne microprocessors en geheugenchips overwinnen al de waarde van technologische normen van 10 nanometer. Verderop lijn 4-6 nm. Maar hoe verder de ontwikkelaars het miniaturisatiepad bewandelen, hoe moeilijker de taken moeten worden opgelost. Ingenieurs kwamen dicht bij de fysieke grenzen van siliciumchips. Degenen die geïnteresseerd zijn in moderne microprocessors weten dat hun prestaties vertraagd zijn bij een klokfrequentie van ongeveer 4 GHz en niet verder toenemen.

Silicium is een uitstekend materiaal voor micro-elektronica, maar heeft een aanzienlijk nadeel - slechte warmtegeleiding. En met een toename van de klokfrequentie en elementdichtheid, wordt dit nadeel een barrière voor de verdere ontwikkeling van micro-elektronica.

Gelukkig is er vandaag een reële mogelijkheid om alternatieve materialen te gebruiken. Het is grafeen, tweedimensionale vorm van koolstof en koolstofnanobuizendie een driedimensionale kristallijne vorm van dezelfde koolstof zijn. De allereerste onderzoeksresultaten leidden tot de oprichting van grafeen transistorenwerkend bij frequenties tot 300 GHz. Bovendien behielden de prototypes hun eigenschappen bij temperaturen van 125 graden Celsius.

Geschiedenis van de ontdekking van grafeenwonder

Zelfloos de muren van kamers in de vroege kindertijd schilderen met een eenvoudig potlood, vermoedden we niet dat we bezig waren met serieuze wetenschap - we produceerden grafeen experimenten. Het plunderen van ouders die de wetenschappelijke waarde van experimenten niet waardeerden, draaiden velen weg van de wetenschap, maar niet allemaal. In 2010 ontvingen twee Russen, een medewerker van de Universiteit van Manchester (Groot-Brittannië) Andrei Geim en een wetenschapper uit Chernogolovka (Rusland) Konstantin Novoseltsev de Nobelprijs voor de ontdekking van grafeen, een nieuwe kristallijne modificatie van koolstof, één dikke atoomlaag.

Dus wat was de verdienste van wetenschappers en de betekenis van de ontdekking? Om te beginnen zullen we het hebben over het onderwerp van ontdekking. Grafeen is een kristallijn tweedimensionaal oppervlak (geen film!) Een of twee atomaire lagen dik. Het meest interessante is dat theoretisch grafeen meer dan 60 jaar geleden door theoretische fysici werd "gemaakt" om driedimensionale koolstofstructuren te beschrijven. Het wiskundige model van een tweedimensionaal rooster beschrijft perfect de thermofysische eigenschappen van grafiet en andere driedimensionale koolstofmodificaties.

Maar talloze pogingen om tweedimensionale koolstofkristallen te creëren eindigden in een mislukking. De "bearish" service in deze zoekopdrachten werd geleverd door theoretici die wiskundig de onmogelijkheid van het bestaan ​​van kristallijne oppervlakken onderbouwden. Het was moeilijk om ze niet te geloven: het waren tenslotte Leo Landau en Peierls - de grootste theoretische fysici van de 20e eeuw.

Ze maakten onmiskenbare wiskundige argumenten dat reguliere platte kristalstructuren instabiel zijn, omdat door thermische trillingen verlaten de atomen de knooppunten van dergelijke kristallen en wordt de orde verstoord. De situatie werd verergerd door het feit dat in echte experimenten de theoretische berekeningen van wetenschappers volledige bevestiging ontvingen. Het idee om grafeen te synthetiseren werd lange tijd verlaten.

En pas in 2004 konden wetenschappers verkrijgen en, belangrijker nog, bewijzen dat grafeen een realiteit is. Om grafeen te verkrijgen, werd een speciale techniek voor chemische splitsing van grafietkristallijne vlakken gebruikt. Soortgelijke processen treden op bij het tekenen met potlood op ruwe oppervlakken, maar de eisen voor afpelomstandigheden van monsters zijn onmetelijk strenger.

De tweede moeilijkheid was het bewijs van het bestaan ​​van een grafeenstructuur. Hoe kan men een oppervlak waarnemen met een dikte van één atoomlaag? De auteurs van de ontdekking zeggen dat als ze geen manier konden vinden om grafeen te observeren, ze tot op de dag van vandaag niet zouden zijn ontdekt.

De ingenieuze techniek voor het observeren van grafeen was het vormen van een tweedimensionaal kristallijn oppervlak op een siliciumoxidesubstraat. En vervolgens werd grafeen waargenomen onder een conventionele optische microscoop. Het juiste grafeenkristalrooster creëerde een interferentiepatroon, dat werd waargenomen door de onderzoekers.

Vooruitzichten voor de praktische toepassing van grafeen

De ontdekking van grafeen veroorzaakte een reactie vergelijkbaar met een exploderende bom. Na tientallen jaren volledig vertrouwen dat er geen tweedimensionale modificatie van koolstof is, bleek plotseling dat het met behulp van vrij eenvoudige processen in onbeperkte hoeveelheden kon worden verkregen. Maar waarom?

Het feit is dat een dergelijke wijziging van koolstof eigenschappen bezit die, meestal door wetenschappers ingehouden, epithetten fantastisch, prachtig, uniek geven. En ze kunnen worden vertrouwd. Honderden toepassingen van dit materiaal worden vandaag aangeboden en elke week verschijnt informatie over nieuwe functies van grafeen.

Zelfs een korte lijst is indrukwekkend: microchips met een dichtheid van meer dan 10 miljard veldeffecttransistors per vierkante centimeter, kwantumcomputers, sensoren van enkele nanometers groot zijn alleen in de elektronica. En ook oplaadbare batterijen met fantastische capaciteit, waterfilters die onzuiverheden vasthouden en nog veel meer.

De speciale eigenschappen van grafeen zorgen ervoor dat warmte niet alleen efficiënt wordt verwijderd, maar ook weer wordt omgezet in elektrische energie. Gegeven dat het grafeenrooster (vlak) een dikte van één atoomlaag heeft, is het gemakkelijk te voorspellen dat de dichtheid van het element op de chip sterk zal toenemen en 10 miljard transistor per vierkante centimeter kan bereiken. Reeds vandaag geïmplementeerd grafeen transistors en microschakelingen, frequentiemixers, modulatoren die werken bij frequenties boven 10 GHz.

De ontwikkelaars zijn niet minder optimistisch over het gebruik van koolstofnanobuisjes in micro-elektronica. Op basis daarvan zijn transistorstructuren al geïmplementeerd en recent hebben IBM-specialisten een microcircuit aangetoond waarop 10.000 nanobuisjes werden gevormd.

Natuurlijk kunnen koolstofmaterialen silicium niet onmiddellijk vervangen in micro-elektronica. Maar het creëren van hybride microschakelingen, die beide materialen benutten, bevindt zich al op commercieel niveau. De dag is niet ver weg waarop microprocessors verschijnen in een gewoon mobiel apparaat, waarvan de rekenkracht de prestaties van moderne supercomputers zal overtreffen.

Denk niet dat al deze toepassingen een kwestie van verre toekomst zijn. De reuzen van de elektronische industrie - IBM, Samsung en vele commerciële onderzoekslaboratoria hebben zich aangesloten bij de race voor de praktische implementatie van wetenschappelijke ontdekkingen. Volgens deskundigen in het volgende decennium wordt grafeen bekend materiaal. En een grapje dat de Silicon Valley in Californië moet worden omgedoopt tot Graphite.