Компьютер из карандаша
Со школьной скамьи мы знаем, что графит, который входит в состав обычного карандаша в качестве грифеля, и алмаз, используемый в ювелирных украшениях или в качестве зерен абразивного материала для шлифующего инструмента, представляют собой одно и то же вещество – углерод, только в разных аллотропных модификациях.
Аллотропия – это способность одного и того же химического элемента существовать в виде разных веществ. Так, алмаз и графит по физическим свойствам и внешнему виду друг на друга абсолютно не похожи, и что это один и тот же химический элемент, стало ясно относительно недавно, в начале XX века. Вообще же с явлением аллотропии химикам приходится встречаться довольно часто: например, аллотропную модификацию имеет кислород (О3 – озон). Кроме алмаза и графита известно еще несколько модификаций углерода, в частности карбин и фуллереновые шары. Однако самой распространенной модификацией углерода вблизи поверхности Земли остается графит (алмазы очень редки, об их происхождении из графита до сих пор идут споры), остальные же модификации углерода были получены искусственно.
Почти алмаз, толщиной в атом
Существует и пятая, самая интересная для нас модификация углерода – графен. Эта модификация, получаемая «из карандаша», может использоваться для создания новых транзисторов.
Чтобы понять, что такое графен, вернемся к графиту, который представляет собой слои атомов углерода, слабо связанные между собой по вертикали, но очень сильно связанные внутри самого слоя. Связи между слоями можно механически разрушить, в конечном итоге получится двумерная единая плоскость графита, без связей по вертикали. Такая плоскость и получила название «графен». За его открытие российскому физику Константину Новоселову, уроженцу Нижнего Тагила, в 2010 году была вручена Нобелевская премия, сам же графен был открыт в 2004 году.
Графен имеет толщину всего в один слой атомов: будучи самым тонким материалом в мире, он обладает высокой подвижностью зарядов (приблизительно в 100 раз выше, чем у кремния, и в 20 раз выше, чем у арсенида галлия), а это означает, что с его помощью можно создавать более совершенные, чем в настоящее время, электронные устройства, в частности транзисторы. К тому же графен обладает наименьшим среди всех проводников удельным сопротивлением и превосходно проводит тепло. В 2008 году ученые из Колумбийского университета опубликовали в журнале “Science” статью, в которой графен назван самым прочным материалом из всех известных на данный момент.
Транзисторы, гибкие экраны, …
Благодаря этим качествам перспективы у графена грандиозные. К примеру, компания Samsung Electronics ведет разработки по созданию на его основе гибких экранов (графен заменит оксиды индия и олова). Такой экран может сминаться практически неограниченное число раз, не теряя своих свойств. Однако самое перспективное направление использования графена – создание сверхбыстрых графеновых транзисторов и процессоров на их основе. Так, в декабре прошлого года компания IBM представила микросхему из графена с применением техпроцесса, близкого к тому, что используется при производстве кремниевых микросхем по технологии CMOS. Она представляет собой радиочастотный удвоитель, работающий на частотах порядка 2 ГГц. В сентябре этого года и Nokia запатентовала свой фотодетектор с улавливающим фотоны слоем из графена.
Графен легко отслаивается, поэтому создание на его базе компьютеров будет, возможно, схоже с печатью документов на струйном принтере. Именно такой подход к созданию графеновых схем предложили исследователи из Кембриджского университета (Великобритания).
Однако появлению графеновых компьютеров мешает целый ряд проблем. Одна из них связана с получением самого графена . Однако не так давно был изобретен способ его промышленного получения, разработанный исследователями из Университета Эрлангена – Нюрнберга (Германия): графен в их опытах образуется при термическом разложении карбида кремния (карборунда). Правда, для этого требуются высокие температуры (около 2800 °C), что делает сам процесс энергозатратным и требует особых термостойких материалов.
IT-рынок ждет…
Еще один камень преткновения – графен не является полупроводником, он – проводник и лишен «запрещенных зон». Однако и эта проблема решена, правда, пока только в масштабах прототипа. Решение этой проблемы нашел автор открытия графена, Константин Новоселов, вместе со своими коллегами из Манчестерского университета (Великобритания). Они поместили между двумя слоями графена слой дисульфида молибдена: в отсутствие напряжения ток через такой «бутерброд» течь не будет, но при подаче напряжения за счет квантово-механического эффекта делается возможным перенос электронов из одного слоя в другой. Кроме того, в августе этого года стало известно, что попытку превратить графен в полупроводник предприняли ученые из Корнеллского университета в США, которые «пришили» к графену моноатомные области нитрида бора.
Графен в совсем недалеком будущем вполне может стать базой наноэлектроники, которая придет на смене кремниевой электроники – потенциалы для роста «производительности» кремния уже иссякают, поэтому смена поколений, возможно, уже не за горами.
Опубликовано 17.11.2012