Графен свернулся в трубочку и намок
Компания IBM начинает готовить замену «игрока на поле». Вместо кремниевых транзисторов в игру могут вступить транзисторы на основе углеродных нанотрубок. Многие технологические проблемы, возникающие при этом, компания IBM предложила решить с помощью обычной воды.
В настоящее время практически все используемые в ИТ транзисторы построены на основе кремния, германия и арсенида галлия – материалов, обладающих полупроводниковыми свойствами. Первый однокристальный процессор был создан компанией Intel в 1971 году, получив название Intel 4004. На волне успеха последовали другие, более производительные процессоры. Начался стремительный прогресс кремниевой микропроцессорной техники.
С течением времени кремниевые транзисторы становились все меньше, перейдя в наноразмеры. Однако бесконечно уменьшаться они не могут – на сегодняшний день кремниевые транзисторы почти достигли своего теоретического минимального размера. Соответственно, в ближайшее время их потенциал будет исчерпан и дальнейший рост производительности цифровой техники станет невозможным.
Это означает, что IT-гигантам необходимо придумать что-то взамен, причем побыстрее. К примеру, операционная система Microsoft Windows 95 требовала минимум 4 Мбайт ОЗУ и 100 Мбайт свободного места на жестком диске, а также процессора Intel 80386 с тактовой частотой 28 МГц и более. А вышедшая недавно Microsoft Windows 8 требует от компьютера 1024 Мбайт ОЗУ (в 250 раз больше), процессора с тактовой частотой по меньшей мере 1024 МГц (в 36 раз быстрее) и как минимум 16 384 Мбайт свободного места на жестком диске (больше в 160 раз).
Графен свернулся в трубочку
Варианты замены кремниевых транзисторов существуют. В частности, большими перспективами обладает аллотропная модификация углерода – графен. Если свернуть поверхность, состоящую из графена, в трубочку, то получится углеродная нанотрубка – замкнутый цилиндр, созданный из атомов углерода.
Разработка транзисторов на основании углеродных нанотрубок – принципиально нового класса полупроводниковых материалов – в настоящее время ведется компанией IBM. С помощью углеродных трубок можно сформировать основу транзисторного элемента, который будет функционировать так же, как современный кремниевый транзистор. Электрическое сопротивление углеродных транзисторов на основе таких нанотрубок меньше, чем у традиционных кремниевых, а это значит, что скорость их работы будет выше. Кроме того, нанотрубки практически идеально подходят по форме для транзисторов на атомарном уровне, что также является преимуществом по сравнению с кремнием.
Проведенное IBM исследование показало, что электронные схемы на базе углеродных нанотрубок будут в 5–10 раз более производительными, чем традиционные кремниевые электронные схемы.
Проблемы углеродных нанотрубок
Главной проблемой, которая препятствует появлению транзисторов на базе углеродных нанотрубок, является невозможность размещения их большого количества на одной подложке одновременно. Ранее удавалось разместить не более нескольких сотен нанотрубок, а для появления полноценной коммерческой микросхемы требуется не менее миллиарда. При этом необходима их точнейшая укладка. Кроме того, отдельные нанотрубки должны быть изолированы друг от друга.
Задача внедрения в массовое производство углеродных нанотрубок имеет еще и ряд серьезных проблем технологического плана. Для производства нанотрубок необходим очень чистый углерод. Кроме этого, углеродным нанотрубкам присущи признаки как полупроводников, так и металлов. Для работы пригодны только нанотрубки, проявляющие «полупроводниковую» природу. Трубки с признаками «металла» должны удаляться.
Необходим также контроль выкладывания нанотрубок на подложку – ведь размеры их очень малы, что создает ряд технологических проблем. В качестве контролирующего устройства требуется сканирующий электронный либо атомный микроскоп.
IBM добавила воды
Однако ученым из исследовательской лаборатории IBM удалось разрешить основную проблему, связанную с невозможностью выкладки нанотрубок в большом количестве, проявив принципиально новый подход. Для этого была использована… обыкновенная вода.
{PAID}
С помощью необычного механизма удалось «растворить» в ней графеновые нанотрубки, хотя, как известно, ни одна из аллотропных модификаций углерода сама по себе в воде не растворяется. Сделано это весьма хитроумно: с помощью подложки из модифицированного диоксида гафния и диоксида кремния делается возможной химическая связь углерода с диоксидом гафния. Ближайшая аналогия – растворение жиров в мыле. Углеродная нанотрубка «тяготеет» к диоксиду гафния и «боится» диоксида кремния. Зажатая между «фильной» и «фобной» поверхностями, она «зависает» в воде.
Далее, после получения раствора, можно «выделить» углеродные нанотрубки из воды в неизменном состоянии. Этот несложный и оригинальный механизм дает возможность многократно повысить точность «выкладывания» углеродных нанотрубок на кристалл чипа. Даже плотность порядка миллиарда нанотрубок на квадратный сантиметр становится вполне достижимой.
К настоящему моменту, впрочем, исследователям из компании IBM удалось сформировать поверхность лишь более чем из 10 тыс. нанотрубок – но и это огромное достижение. Есть все основания полагать, что новая технология будет быстро прогрессировать.
Опубликовано 03.12.2012