Графеновая электроника

Слушая глубокомысленные рассуждения государственных чинов о необходимости развивать нанотехнологии, невольно удивляешься нелогичности их поступков: на оборону выделяются средства, несравнимые с бюджетом науки. Притом, что сейчас деньги, вложенные в научные исследования, позволят не только радикально изменить жизнь людей, но и вплотную подойти к решению проблемы бессмертия человека.

Говоря о нанотехнологиях, в первую очередь приходят на ум открытие графена и углеродных нанотрубок. Именно с ними связывают ученые прорыв в области электроники и фармакологии в 21 веке. Создание квантовых компьютеров, систем считывания сигналов на клеточном уровне, нанороботов для лечения организма – это только малый перечень открывающихся возможностей. Сейчас эти возможности перешли из области фантастики в область лабораторных разработок.

Особая тема – это микроэлектроника. Современные микропроцессоры и чипы памяти уже преодолевают значение технологических норм в 10 нанометров. Впереди рубеж 4-6 нм. Но чем дальше двигаются разработчики по пути миниатюризации, тем сложнее задачи приходится решать. Инженера вплотную приблизились к физическим пределам кремниевых чипов. Те, кто интересуются современными микропроцессорами, знают, что их быстродействие затормозилось на тактовой частоте около 4 ГГц и дальше не увеличивается.

Кремний является прекрасным материалом для микроэлектроники, но обладает существенным недостатком – плохой теплопроводностью. И с ростом тактовой частоты и плотности элементов этот недостаток становится барьером на пути дальнейшего развития микроэлектроники.

К счастью, сегодня появилась реальная возможность использовать альтернативные материалы. Это графен, двухмерная форма углерода и углеродные нанотрубки, которые являются трехмерной кристаллической формой того же углерода. Уже первые результаты исследований привели к созданию графеновых транзисторов, работающих на частоте до 300 ГГц. Причем, опытные образцы сохраняли свои характеристики при температурах 125 градусов по Цельсию.

История открытия графенового чуда

Самозабвенно разрисовывая в раннем детстве стены комнат простым карандашом, мы не подозревали, что занимаемся серьезной наукой – производим опыты по получению графена. Взбучка от родителей, не оценивших научную ценность экспериментов, многих отвратила от науки, но не всех. В 2010 году двоим россиянам, сотруднику Манчестерского университета (Великобритания) Андрею Гейму и ученому из Черноголовки (Россия) Константину Новосельцеву присудили Нобелевскую премию за открытие графена – новой кристаллической модификации углерода, толщиной в один атомный слой.

Так в чем же состояла заслуга ученых и значение открытия? Для начала разберемся с самим предметом открытия. Графен – это кристаллическая двумерная поверхность (не пленка!) толщиной в один или два атомных слоя. Самое интересное состоит в том, что теоретически графен был «создан» физиками-теоретиками более 60 лет назад для описания трехмерных структур углерода. Математическая модель двумерной решетки прекрасно описывала теплофизические свойства графита и иных трехмерных модификаций углерода.

Но многочисленные попытки создать двумерные кристаллы углерода заканчивались неудачами. «Медвежью» услугу в этих поисках оказали теоретики, которые математически обосновали невозможность существования кристаллических поверхностей. Не верить им было трудно: ведь это были Лев Ландау и Пайерлс – крупнейшие физики- теоретики 20 века.

Они привели неоспоримые математические доводы, что правильные плоские кристаллические структуры неустойчивы, т.к. за счет тепловых колебаний атомы покинут узлы таких кристаллов и порядок нарушится. Ситуацию усугубило то, что в реальных экспериментах теоретические выкладки ученых получали полное подтверждение. Идею синтеза графена надолго забросили.

И только в 2004 году ученым удалось получить, а главное, доказать, что графен – это реальность. Для получения графена использовалась специальная методика химического скалывания графитовых кристаллических плоскостей. Похожие процессы происходят при рисовании карандашом по шершавым поверхностям, но требования к условиям отслоения образцов неизмеримо жестче.

Второй трудностью было доказательство существования графеновой структуры. Как можно наблюдать поверхность толщиной в один атомный слой? Авторы открытия говорят, что если бы не удалось найти способа наблюдения графена, то его не открыли бы до наших дней.

Остроумная методика наблюдения графена заключалась в формировании двумерной кристаллической поверхности на подложке из окиси кремния. А затем графен наблюдали в обычный оптический микроскоп. Правильная кристаллическая решетка графена создавала интерференционную картину, которая и наблюдалась исследователями.

Перспективы практического применения графена

Открытие графена вызвало реакцию, подобную разорвавшейся бомбы. После десятилетий полной уверенности, что двухмерной модификации углерода не существует, вдруг оказалось, что с помощью достаточно простых процессов его можно получать в неограниченном количестве. Только зачем?

Дело в том, что подобная модификация углерода обладает свойствами, которые, обычно сдержанные ученые, наделяют эпитетами фантастические, чудесные, уникальные. И им можно поверить. Сотни применений этого материала предложены уже сегодня, и каждую неделю появляется информация о новых возможностях графена.

Даже короткий перечень впечатляет: микрочипы с плотностью более 10 миллиардов полевых транзисторов на квадратный сантиметр, квантовые компьютеры, датчики размером несколько нанометров – это только в электронике. А еще аккумуляторные батареи фантастической емкости, фильтры для воды, которые задерживают любые примеси и многое другое.

Особые свойства графена позволяют не только эффективно отводить тепло, но и преобразовывать его обратно в электрическую энергию. Учитывая, что графеновая решетка (плоскость) имеет толщину в один атомный слой, несложно предсказать, что плотность элементом на чипе резко возрастет и может достигнуть 10 миллиардов транзистором на квадратный сантиметр. Уже сегодня реализованы графеновые транзисторы и микросхемы, смесители частоты, модуляторы, работающие на частотах выше 10 ГГц.

Не менее оптимистично относятся разработчики и к применению углеродных нанотрубок в микроэлектронике. На их основе уже реализованы транзисторные структуры, а недавно специалисты IBM продемонстрировали микросхему, на которой было сформировано 10 тысяч нанотрубок.

Конечно, сразу углеродные материалы не смогут заменить кремний в микроэлектронике. Но создание гибридных микросхем, в которых используются преимущества обоих материалов, уже выходит на коммерческий уровень. Не за горами тот день, когда в обычном мобильном устройстве появятся микропроцессоры, вычислительная мощь которых будет превышать производительность современных суперкомпьютеров.

Не стоит думать, что все эти применения – дело отдаленного будущего. В гонку практической реализации научного открытия включились гиганты электронной индустрии - корпорация IBM, Samsung и множество коммерческих исследовательских лабораторий. По мнению специалистов, в ближайшее десятилетие графен станет привычным материалом. А некоторые шутят, что Силиконовую долину в Калифорнии придется переименовывать на Графитовую.