Graphene Electronics - Ika-21 Siglo ng Siglo

Inilalarawan ng artikulo ang mga prospect para sa paggamit ng graphene at carbon nanotubes sa microelectronics.

Ang pakikinig sa nag-isip na mga argumento ng mga opisyal ng gobyerno tungkol sa pangangailangan na bumuo ng nanotechnology, ang isang hindi sinasadya ay nagtaka nang labis sa hindi pagkakapantay-pantay ng kanilang mga aksyon: ang mga pondo na walang katumbas sa badyet ng agham ay inilalaan para sa pagtatanggol. Bukod dito, ngayon ang pera na namuhunan sa pananaliksik na pang-agham ay magbibigay-daan hindi lamang sa radikal na pagbabago ng buhay ng mga tao, ngunit lumapit din sa paglutas ng problema ng kawalang-kamatayan ng tao.

Ang pagsasalita tungkol sa nanotechnology, unang isipan pagtuklas ng graphene at carbon nanotubes. Kasama sa kanila na iniugnay ng mga siyentipiko ang isang tagumpay sa larangan ng electronics at pharmacology noong ika-21 siglo. Ang paglikha ng mga computer na kabuuan, mga sistema ng pagbabasa ng signal sa cellular level, nanorobots para sa pagpapagamot ng katawan - ito ay isang maliit na listahan lamang ng mga oportunidad na magbukas. Ngayon ang mga oportunidad na ito ay lumipat mula sa larangan ng pantasya sa larangan ng pag-unlad ng laboratoryo.

Ang isang espesyal na paksa ay microelectronics. Ang mga modernong microprocessors at memorya ng mga chip ay naigawan ang halaga ng mga pamantayang teknolohikal ng 10 nanometer. Pauna na linya 4-6 nm. Ngunit ang karagdagang mga hakbang ay gumagalaw sa landas ng miniaturization, mas mahirap ang mga gawain ay dapat lutasin. Ang mga inhinyero ay lumapit sa pisikal na mga limitasyon ng mga chips ng silikon. Alam ng mga interesado sa mga modernong microprocessors na ang kanilang pagganap ay pinabagal sa isang dalas ng orasan na halos 4 GHz at hindi na tataas pa.

Ang Silicon ay isang mahusay na materyal para sa microelectronics, ngunit may isang makabuluhang disbentaha - hindi magandang kondaktibiti. At sa pagtaas ng dalas ng orasan at density ng elemento, ang disbenteng ito ay nagiging hadlang sa karagdagang pag-unlad ng microelectronics.

Sa kabutihang palad, ngayon mayroong isang tunay na pagkakataon na gumamit ng mga alternatibong materyales. Ito ay graphene, two-dimensional na anyo ng carbon at carbon nanotubesna kung saan ay isang three-dimensional crystalline form ng parehong carbon. Ang pinakaunang mga resulta ng pananaliksik na humantong sa paglikha ng graphene transistorsnagpapatakbo sa mga frequency hanggang sa 300 GHz. Bukod dito, pinanatili ng mga prototypes ang kanilang mga katangian sa temperatura na 125 degree Celsius.

Kasaysayan ng pagtuklas ng himala ng graphene

Walang pagpipigil sa pagpipinta ng mga dingding ng mga silid sa maagang pagkabata na may isang simpleng lapis, hindi namin pinaghihinalaan na kami ay nakikibahagi sa malubhang agham - gumawa kami mga eksperimento sa graphene. Ang pag-agaw mula sa mga magulang na hindi pinahahalagahan ang pang-agham na halaga ng mga eksperimento ay lumayo mula sa agham, ngunit hindi lahat. Noong 2010, dalawang Russian, isang empleyado ng University of Manchester (Great Britain) na si Andrei Geim at isang siyentipiko mula sa Chernogolovka (Russia) na si Konstantin Novoseltsev ay iginawad sa Nobel Prize para sa pagtuklas ng graphene, isang bagong pagbabago sa kristal ng carbon, isang makapal na layer ng atom.

Kaya ano ang merito ng siyentipiko at ang kabuluhan ng pagtuklas? Upang magsimula, haharapin namin ang pinakadulo paksa ng pagtuklas. Ang Graphene ay isang mala-kristal na dalawang dimensional na ibabaw (hindi isang pelikula!) Ang isa o dalawang mga layer ng atomic. Ang pinaka-kagiliw-giliw na bagay ay ang teoretikal na graphene ay "nilikha" ng mga pisikal na teoretikal higit sa 60 taon na ang nakalilipas upang ilarawan ang mga three-dimensional na istruktura ng carbon. Ang modelo ng matematika ng isang dalawang dimensional na sala-sala ay perpektong inilarawan ang mga thermophysical na katangian ng grapayt at iba pang mga three-dimensional na pagbabago ng carbon.

Ngunit maraming mga pagtatangka upang lumikha ng dalawang-dimensional na mga kristal na carbon ay natapos sa kabiguan. Ang serbisyong "bearish" sa mga paghahanap na ito ay ibinigay ng mga teorista na matematikal na nagpatunay sa imposibilidad ng pagkakaroon ng mala-kristal na ibabaw. Mahirap na hindi paniwalaan ang mga ito: pagkatapos ng lahat, ito ay Leo Landau at Peierls - ang pinakamalaking teoretikal na pisiko sa ika-20 siglo.

Ginawa nila ang hindi maikakaila na mga pangangatwiran sa matematika na ang regular na mga flat na istruktura ng kristal ay hindi matatag, sapagkat dahil sa mga panginginig ng boses, ang mga atomo ay iniiwan ang mga node ng naturang mga kristal at ang pagkagambala ay nabalisa. Ang sitwasyon ay pinalala ng katotohanan na sa mga tunay na eksperimento, ang teoretikal na kalkulasyon ng mga siyentipiko ay natanggap ng buong kumpirmasyon. Ang ideya ng synthesizing graphene ay inabandona nang mahabang panahon.

At noong 2004 lamang, ang mga siyentipiko ay nakakuha, at pinakamahalaga, pinatunayan na ang graphene ay isang katotohanan. Upang makakuha ng graphene, ginamit ang isang espesyal na pamamaraan ng cleavage ng kemikal ng mga eroplano na mala-crystalline. Ang mga magkakatulad na proseso ay nangyayari kapag ang pagguhit na may lapis sa mga magaspang na ibabaw, ngunit ang mga kinakailangan para sa mga kondisyon ng pag-iwas ng mga sample ay hindi masigla.

Ang pangalawang kahirapan ay ang patunay ng pagkakaroon ng isang istraktura ng graphene. Paano mapapansin ng isang makapal ang isang layer na atomic na makapal? Sinabi ng mga may-akda ng pagtuklas na kung hindi sila makahanap ng isang paraan upang obserbahan ang graphene, hindi nila nahanap ang araw na ito.

Ang mapanlikha pamamaraan para sa pagmamasid sa graphene ay upang makabuo ng isang dalawang dimensional na mala-kristal na ibabaw sa isang silikon na substrate ng silikon. At pagkatapos ay graphene ay sinusunod sa ilalim ng isang maginoo optical mikroskopyo. Ang tamang graphene crystal na lihis ay lumikha ng isang pagkagambala pattern, na na-obserbahan ng mga mananaliksik.

Mga prospect para sa praktikal na aplikasyon ng graphene

Ang pagkatuklas ng graphene ay nagdulot ng isang reaksyon na katulad ng isang sumabog na bomba. Matapos ang mga dekada ng buong kumpiyansa na walang two-dimensional na pagbabago ng carbon, bigla itong lumabas na sa tulong ng medyo simpleng mga proseso maaari itong makuha sa walang limitasyong dami. Ngunit bakit?

Ang katotohanan ay ang gayong pagbabago ng carbon ay nagtataglay ng mga katangian na, kadalasang pinipigilan ng mga siyentipiko, nagbibigay ng mga epithets na kamangha-manghang, kahanga-hanga, natatangi. At maaasahan sila. Daan-daang mga aplikasyon ng materyal na ito ang inaalok ngayon, at lilitaw ang bawat linggo impormasyon sa mga bagong tampok ng graphene.

Kahit na ang isang maikling listahan ay kahanga-hanga: ang mga microchip na may isang density ng higit sa 10 bilyong epekto transistors sa bawat square sentimetro, mga computer na kabuuan, sensor ng ilang mga nanometer sa laki ay nasa mga electronics lamang. At maaari ring rechargeable na mga baterya ng kamangha-manghang kapasidad, mga filter ng tubig na pumatak sa anumang mga impurities at marami pa.

Pinapayagan ang mga espesyal na katangian ng graphene hindi lamang upang mahusay na alisin ang init, kundi pati na rin upang mai-convert ito muli sa elektrikal na enerhiya. Dahil sa ang graphene lattice (eroplano) ay may kapal ng isang atomic layer, madaling hulaan na ang density ng elemento sa chip ay tataas nang matindi at maaaring umabot sa 10 bilyong transistor bawat square sentimeter. Naipatupad na ngayon ang mga graphene transistors at microcircuits, dalas ng mga mixer, modulators na tumatakbo sa mga frequency na higit sa 10 GHz.

Ang mga nag-develop ay hindi gaanong maasahin sa mabuti tungkol sa paggamit ng mga carbon nanotubes sa microelectronics. Batay sa kanila, ang mga istrukturang transistor ay naipatupad, at kamakailan lamang, ipinakita ng mga espesyalista ng IBM ang isang microcircuit kung saan nabuo ang 10 libong mga nanotub.

Siyempre, ang mga materyales ng carbon ay hindi maaaring palitan agad ang silikon sa microelectronics. Ngunit ang paglikha ng hybrid microcircuits, na sinasamantala ang parehong mga materyales, ay nasa antas ng komersyal. Hindi kalayuan ang araw kung kailan lumilitaw ang mga microprocessors sa isang regular na mobile device, ang lakas ng computing kung saan lalampas ang pagganap ng mga modernong supercomputers.

Huwag isipin na ang lahat ng mga application na ito ay isang bagay ng malayong hinaharap. Ang mga higante ng industriya ng electronic - IBM, Samsung at maraming mga komersyal na laboratoryo sa pagsasaliksik ay sumali sa karera para sa praktikal na pagpapatupad ng pang-agham na pagtuklas. Ayon sa mga eksperto, sa susunod na dekada, ang graphene ay magiging pamilyar. At ang ilang mga biro na ang Silicon Valley sa California ay kailangang palitan ang pangalan ng Graphite.