Grafen Elektronik - 21. Yüzyıl Mucizesi

Makale, mikroelektronikte grafen ve karbon nanotüplerin kullanım umutlarını açıklamaktadır.

Hükümet yetkililerinin nanoteknoloji geliştirme ihtiyacı konusundaki düşünceli argümanlarını dinleyerek, eylemlerinin tutarsızlığına şaşkınlık duyuyor: bilim bütçesiyle kıyaslanamayan fonlar savunma için ayrılıyor. Dahası, şimdi bilimsel araştırmalara yatırılan para sadece insanların yaşamlarını kökten değiştirmeye değil, aynı zamanda insan ölümsüzlüğü sorununu çözmeye de yaklaşacak.

Nanoteknolojiden bahsetmişken, ilk akla gelen grafen ve karbon nanotüplerinin keşfi. Bilim adamları, 21. yüzyılda elektronik ve farmakoloji alanında bir atılım bağlarlar. Kuantum bilgisayarların oluşturulması, hücresel düzeyde sinyal okuma sistemleri, vücudu tedavi etmek için nano robotlar - bu sadece açılan fırsatların küçük bir listesidir. Şimdi bu fırsatlar fantezi dünyasından laboratuvar geliştirme alanına taşındı.

Özel bir konu mikroelektroniktir. Modern mikroişlemciler ve bellek yongaları zaten 10 nanometrenin teknolojik standartlarının değerini aşmıştır. İleri doğru 4-6 nm. Ancak geliştiriciler minyatürleştirme yolu boyunca ne kadar ilerlerse, görevlerin çözülmesi de o kadar zor olur. Mühendisler silikon çiplerin fiziksel sınırlarına yaklaştı. Modern mikroişlemcilerle ilgilenenler, performanslarının yaklaşık 4 GHz saat frekansında yavaşladığını ve daha fazla artmadığını biliyorlar.

Silikon, mikroelektronik için mükemmel bir malzemedir, ancak önemli bir dezavantajı vardır - zayıf termal iletkenlik. Ve saat frekansı ve eleman yoğunluğundaki artışla, bu dezavantaj, mikroelektronikin daha da geliştirilmesi için bir engel haline gelir.

Neyse ki, bugün alternatif malzemeler kullanmak için gerçek bir fırsat var. Bu grafen, iki boyutlu karbon ve karbon nanotüpleriaynı karbonun üç boyutlu kristal formudur. İlk araştırma sonuçları, grafen transistörleri300 GHz'e kadar frekanslarda çalışma. Ayrıca, prototipler özelliklerini 125 santigrat derece sıcaklıklarda muhafaza ettiler.

Grafen mucizesinin keşfinin tarihi

Erken çocukluktaki odaların duvarlarını basit bir kalemle bencilce boyayarak, ciddi bilimle meşgul olduğumuzdan şüphelenmedik - ürettik grafen deneyleri. Deneylerin bilimsel değerini takdir etmeyen ebeveynlerden gelen tehditler çoğunu bilimden uzaklaştırdı, ama hepsi değil. 2010 yılında, iki Rus, Manchester Üniversitesi'nde çalışan (İngiltere) Andrei Geim ve Chernogolovka'dan (Rusya) bir bilim adamı Konstantin Novoseltsev, bir atom tabakası kalınlığında karbonun keşfi için Nobel Ödülü'nü aldı.

Öyleyse bilim adamlarının değeri ve keşfin önemi neydi? Başlangıç ​​olarak, keşif konusuyla ilgileneceğiz. Grafen, kristalin iki boyutlu bir yüzeydir (film değil!) Bir veya iki atomik tabaka kalınlığında. En ilginç şey, teorik olarak grafenin teorik fizikçiler tarafından 60 yıldan uzun bir süre önce üç boyutlu karbon yapıları tanımlamak için “yaratılmış” olmasıdır. İki boyutlu bir kafesin matematiksel modeli, grafit ve diğer üç boyutlu karbon modifikasyonlarının termofiziksel özelliklerini mükemmel bir şekilde tanımladı.

Ancak iki boyutlu karbon kristalleri oluşturmak için sayısız girişim başarısızlıkla sonuçlandı. Bu aramalardaki “düşüş” hizmeti, kristalin yüzeylerin varlığının imkânsızlığını matematiksel olarak doğrulayan kuramcılar tarafından sağlandı. Onlara inanmamak zordu: sonuçta, 20. yüzyılın en büyük teorik fizikçileri olan Leo Landau ve Peierls idi.

Düzenli düz kristal yapıların kararsız olduğu yadsınamaz matematiksel argümanlar yaptılar, çünkü termal titreşimler nedeniyle, atomlar bu tür kristallerin düğümlerini terk eder ve düzen bozulur. Durum, gerçek deneylerde, bilim adamlarının teorik hesaplamalarının tam olarak onaylanması gerçeğiyle ağırlaştı. Grafeni sentezleme fikri uzun süre terk edildi.

Ve sadece 2004'te, bilim adamları grafenin bir gerçek olduğunu elde edebildi ve en önemlisi kanıtladı. Grafen elde etmek için grafit kristal düzlemlerinin kimyasal bir yarılmasının özel bir tekniği kullanılmıştır. Pürüzlü yüzeylerde kalemle çizim yapılırken benzer işlemler gerçekleşir, ancak numunelerin soyulma koşulları için gereklilikler ölçülemeyecek şekilde daha katıdır.

İkinci zorluk grafen yapısının varlığının kanıtıydı. Bir atom tabakasının kalınlığı olan bir yüzeyi nasıl gözlemleyebiliriz? Keşfin yazarları, grafeni gözlemlemek için bir yol bulamazlarsa, bugüne kadar keşfedilmeyeceklerini söylüyorlar.

Grafeni gözlemlemek için ustaca teknik, bir silikon oksit substrat üzerinde iki boyutlu kristal bir yüzey oluşturmaktı. Ve sonra geleneksel bir optik mikroskop altında grafen gözlendi. Doğru grafen kristal kafesi, araştırmacılar tarafından gözlemlenen bir girişim paterni yarattı.

Grafenin pratik uygulaması için beklentiler

Grafenin keşfi, patlayan bir bombaya benzer bir reaksiyona neden oldu. On iki yıllık karbon modifikasyonu olmadığından onlarca yıl süren tam güvenden sonra, aniden oldukça basit süreçlerin yardımıyla sınırsız miktarlarda elde edilebileceği ortaya çıktı. Ama neden?

Gerçek şu ki, böyle bir karbon modifikasyonu, genellikle bilim adamları tarafından kısıtlanan, epitetlere fantastik, harika, benzersiz özellikler veren özelliklere sahiptir. Ve güvenilir olabilirler. Bu malzemenin yüzlerce uygulaması bugün sunuluyor ve her hafta ortaya çıkıyor grafenin yeni özellikleri hakkında bilgi.

Kısa bir liste bile etkileyici: santimetrekare başına 10 milyardan fazla alan etkili transistör yoğunluğuna sahip mikroçipler, kuantum bilgisayarlar, birkaç nanometre büyüklüğündeki sensörler sadece elektronikte. Ayrıca fantastik kapasiteli şarj edilebilir piller, herhangi bir kirliliği yakalayan su filtreleri ve çok daha fazlası.

Grafenin özel özellikleri sadece ısıyı verimli bir şekilde uzaklaştırmakla kalmaz, aynı zamanda tekrar elektrik enerjisine dönüştürür. Grafen kafesin (düzlem) bir atomik tabaka kalınlığına sahip olduğu göz önüne alındığında, çip üzerindeki elemanın yoğunluğunun keskin bir şekilde artacağını ve santimetre kare başına 10 milyar transistöre ulaşabileceğini tahmin etmek kolaydır. Zaten bugün 10 GHz üzerindeki frekanslarda çalışan grafen transistörler ve mikro devreler, frekans karıştırıcılar, modülatörler uyguladı.

Geliştiriciler, mikroelektronikte karbon nanotüplerin kullanımı konusunda daha az iyimser değiller. Onlara dayanarak, transistör yapıları zaten uygulandı ve son zamanlarda, IBM uzmanları 10 bin nanotüpün oluşturulduğu bir mikro devre gösterdi.

Elbette, karbon malzemeler mikroelektronikteki silikonun hemen yerini alamaz. Ancak her iki malzemeden de yararlanan hibrit mikro devrelerin yaratılması zaten ticari düzeyde. Bilgi işlem gücü modern süper bilgisayarların performansını aşacak sıradan bir mobil cihazda mikroişlemcilerin görüneceği gün çok uzakta değil.

Tüm bu uygulamaların uzak bir gelecek meselesi olduğunu düşünmeyin. Elektronik endüstrisinin devleri - IBM, Samsung ve birçok ticari araştırma laboratuvarı bilimsel keşfin pratik uygulaması için yarışa katıldı. Uzmanlara göre, Önümüzdeki on yılda grafen tanıdık bir malzeme haline gelecek. Ve Kaliforniya'daki Silikon Vadisi'nin Grafit olarak yeniden adlandırılması gereken bazı şakalar.