Graphene Electronics - Miracolo del 21 ° secolo

L'articolo descrive le prospettive per l'uso di grafene e nanotubi di carbonio nella microelettronica.

Ascoltando le argomentazioni ponderate dei funzionari governativi sulla necessità di sviluppare la nanotecnologia, ci si meraviglia involontariamente dell'incoerenza delle loro azioni: i fondi incomparabili con il bilancio della scienza vengono stanziati per la difesa. Inoltre, ora i soldi investiti nella ricerca scientifica consentiranno non solo di cambiare radicalmente la vita delle persone, ma anche di avvicinarsi alla soluzione del problema dell'immortalità umana.

Parlando di nanotecnologia, mi viene in mente per la prima volta scoperta di grafene e nanotubi di carbonio. È con loro che gli scienziati associano una svolta nel campo dell'elettronica e della farmacologia nel 21 ° secolo. La creazione di computer quantistici, sistemi di lettura del segnale a livello cellulare, nanorobot per il trattamento del corpo: questa è solo una piccola lista di opportunità che si aprono. Ora queste opportunità sono passate dal regno della fantasia al campo dello sviluppo di laboratorio.

Un argomento speciale è la microelettronica. I moderni microprocessori e chip di memoria superano già il valore degli standard tecnologici di 10 nanometri. Linea avanti 4-6 nm. Ma più gli sviluppatori si muovono lungo il percorso di miniaturizzazione, più difficili devono essere risolti i compiti. Gli ingegneri si sono avvicinati ai limiti fisici dei chip di silicio. Coloro che sono interessati ai moderni microprocessori sanno che la loro velocità è rallentata a una frequenza di clock di circa 4 GHz e non aumenta ulteriormente.

Il silicio è un materiale eccellente per la microelettronica, ma presenta un significativo svantaggio: scarsa conducibilità termica. E con un aumento della frequenza di clock e della densità degli elementi, questo inconveniente diventa una barriera per l'ulteriore sviluppo della microelettronica.

Fortunatamente, oggi esiste una reale opportunità di utilizzare materiali alternativi. Lo è grafene, forma bidimensionale di carbonio e nanotubi di carbonioche sono una forma cristallina tridimensionale dello stesso carbonio. I primissimi risultati della ricerca hanno portato alla creazione di transistor di grafeneoperando a frequenze fino a 300 GHz. Inoltre, i prototipi hanno mantenuto le loro caratteristiche a temperature di 125 gradi Celsius.

Storia della scoperta del miracolo del grafene

Dipingendo disinteressatamente le pareti delle stanze nella prima infanzia con una semplice matita, non sospettavamo di essere impegnati in scienze serie - abbiamo prodotto esperimenti di grafene. Le violenze da parte di genitori che non hanno apprezzato il valore scientifico degli esperimenti hanno allontanato molti dalla scienza, ma non tutti. Nel 2010, due russi, un impiegato dell'Università di Manchester (Gran Bretagna) Andrei Geim e uno scienziato di Chernogolovka (Russia) Konstantin Novoseltsev hanno ricevuto il premio Nobel per la scoperta del grafene, una nuova modifica cristallina del carbonio, uno strato atomico spesso.

Qual è stato il merito degli scienziati e il significato della scoperta? Per cominciare, affronteremo il tema stesso della scoperta. Il grafene è una superficie bidimensionale cristallina (non un film!) Uno o due strati atomici spessi. La cosa più interessante è che teoricamente il grafene è stato "creato" dai fisici teorici più di 60 anni fa per descrivere le strutture tridimensionali del carbonio. Il modello matematico di un reticolo bidimensionale descriveva perfettamente le proprietà termofisiche della grafite e altre modificazioni tridimensionali del carbonio.

Ma numerosi tentativi di creare cristalli di carbonio bidimensionali si sono conclusi con un fallimento. Il servizio "ribassista" in queste ricerche è stato fornito da teorici che hanno matematicamente dimostrato l'impossibilità dell'esistenza di superfici cristalline. Era difficile non crederci: dopo tutto, erano Leo Landau e Peierls - i più grandi fisici teorici del 20 ° secolo.

Hanno fatto innegabili argomenti matematici sul fatto che le normali strutture a cristallo piatto sono instabili, perché a causa delle vibrazioni termiche, gli atomi lasciano i nodi di tali cristalli e l'ordine viene disturbato. La situazione è stata aggravata dal fatto che negli esperimenti reali i calcoli teorici degli scienziati hanno ricevuto piena conferma. L'idea di sintetizzare il grafene è stata abbandonata per molto tempo.

E solo nel 2004, gli scienziati sono stati in grado di ottenere e, soprattutto, dimostrare che il grafene è una realtà. Per ottenere il grafene, è stata utilizzata una tecnica speciale di scissione chimica dei piani cristallini di grafite. Processi simili si verificano quando si disegna con la matita su superfici ruvide, ma i requisiti per le condizioni di peeling dei campioni sono incommensurabilmente più rigorosi.

La seconda difficoltà era la prova dell'esistenza di una struttura di grafene. Come si può osservare una superficie con uno spessore di uno strato atomico? Gli autori della scoperta affermano che se non fossero riusciti a trovare un modo per osservare il grafene, non sarebbero stati scoperti fino ad oggi.

L'ingegnosa tecnica per osservare il grafene consisteva nel formare una superficie cristallina bidimensionale su un substrato di ossido di silicio. E poi il grafene è stato osservato al microscopio ottico convenzionale. Il reticolo cristallino corretto del grafene ha creato un modello di interferenza, che è stato osservato dai ricercatori.

Prospettive per l'applicazione pratica del grafene

La scoperta del grafene ha causato una reazione simile a una bomba che esplode. Dopo decenni di piena fiducia che non vi sia alcuna modifica bidimensionale del carbonio, all'improvviso si è scoperto che con l'aiuto di processi abbastanza semplici può essere ottenuto in quantità illimitate. Ma perchè?

Il fatto è che una tale modifica del carbonio possiede proprietà che, di solito trattenute dagli scienziati, danno agli epiteti fantastici, meravigliosi, unici. E ci si può fidare. Centinaia di applicazioni di questo materiale sono offerte oggi e ogni settimana appare informazioni sulle nuove funzionalità del grafene.

Anche un breve elenco è impressionante: i microchip con una densità di oltre 10 miliardi di transistor ad effetto di campo per centimetro quadrato, computer quantistici, sensori di pochi nanometri sono solo nell'elettronica. E anche batterie ricaricabili di fantastica capacità, filtri per l'acqua che intrappolano eventuali impurità e molto altro.

Le proprietà speciali del grafene consentono non solo di rimuovere efficacemente il calore, ma anche di riconvertirlo in energia elettrica. Dato che il reticolo di grafene (piano) ha uno spessore di uno strato atomico, è facile prevedere che la densità dell'elemento sul chip aumenterà nettamente e può raggiungere i 10 miliardi di transistor per centimetro quadrato. Già oggi sono stati implementati transistor e microcircuiti di grafene, mixer di frequenza, modulatori che funzionano a frequenze superiori a 10 GHz.

Gli sviluppatori non sono meno ottimisti sull'uso dei nanotubi di carbonio nella microelettronica. Sulla base di questi, sono già state implementate strutture a transistor e recentemente gli specialisti IBM hanno dimostrato un microcircuito sul quale sono stati formati 10 mila nanotubi.

Naturalmente, i materiali in carbonio non possono sostituire immediatamente il silicio nella microelettronica. Ma la creazione di microcircuiti ibridi, che sfruttano entrambi i materiali, è già a livello commerciale. Non è lontano il giorno in cui i microprocessori appariranno in un normale dispositivo mobile, la cui potenza di calcolo supererà le prestazioni dei moderni supercomputer.

Non pensare che tutte queste applicazioni siano una questione di un lontano futuro. I giganti dell'industria elettronica - IBM, Samsung e molti laboratori di ricerca commerciale si sono uniti alla corsa per l'implementazione pratica della scoperta scientifica. Secondo gli esperti, nel prossimo decennio, il grafene diventerà materiale familiare. E alcuni scherzi sul fatto che la Silicon Valley in California dovrà essere ribattezzata Graphite.