Graphene Electronics - Phép lạ thế kỷ 21

Bài báo mô tả triển vọng cho việc sử dụng ống nano graphene và carbon trong vi điện tử.

Lắng nghe những lập luận chu đáo của các quan chức chính phủ về sự cần thiết phải phát triển công nghệ nano, người ta vô tình ngạc nhiên trước sự không nhất quán trong hành động của họ: các quỹ không thể so sánh với ngân sách của khoa học được phân bổ cho quốc phòng. Hơn nữa, giờ đây, số tiền đầu tư vào nghiên cứu khoa học sẽ cho phép không chỉ thay đổi hoàn toàn cuộc sống của con người mà còn tiến gần đến việc giải quyết vấn đề bất tử của con người.

Nói về công nghệ nano, đầu tiên hãy nghĩ đến phát hiện ra graphene và ống nano carbon. Với họ, các nhà khoa học liên kết một bước đột phá trong lĩnh vực điện tử và dược học trong thế kỷ 21. Việc tạo ra các máy tính lượng tử, hệ thống đọc tín hiệu ở cấp độ tế bào, nanorobots để điều trị cơ thể - đây chỉ là một danh sách nhỏ các cơ hội mở ra. Bây giờ những cơ hội này đã chuyển từ lĩnh vực tưởng tượng sang lĩnh vực phát triển phòng thí nghiệm.

Một chủ đề đặc biệt là vi điện tử. Bộ vi xử lý và chip nhớ hiện đại đã vượt qua giá trị của các tiêu chuẩn công nghệ 10 nanomet. Phía trước đường 4 - 6nm. Nhưng các nhà phát triển càng đi theo con đường thu nhỏ, thì các nhiệm vụ càng khó giải quyết. Các kỹ sư đã tiến gần đến giới hạn vật lý của chip silicon. Những người quan tâm đến bộ vi xử lý hiện đại biết rằng hiệu suất của chúng chậm lại ở tần số xung nhịp khoảng 4 GHz và không tăng thêm nữa.

Silicon là một vật liệu tuyệt vời cho vi điện tử, nhưng có một nhược điểm đáng kể - độ dẫn nhiệt kém. Và với sự gia tăng tần số xung nhịp và mật độ phần tử, nhược điểm này trở thành rào cản cho sự phát triển hơn nữa của vi điện tử.

May mắn thay, ngày nay có một cơ hội thực sự để sử dụng vật liệu thay thế. Nó là graphene, dạng hai chiều của ống nano carbon và carbonđó là một dạng tinh thể ba chiều của cùng một carbon. Các kết quả nghiên cứu đầu tiên đã dẫn đến việc tạo ra bóng bán dẫn graphenehoạt động ở tần số lên tới 300 GHz. Hơn nữa, các nguyên mẫu vẫn giữ được đặc điểm của chúng ở nhiệt độ 125 độ C.

Lịch sử khám phá phép lạ graphene

Tự vẽ tranh tường các phòng trong thời thơ ấu bằng một cây bút chì đơn giản, chúng tôi không nghi ngờ rằng chúng tôi đã tham gia vào khoa học nghiêm túc - chúng tôi đã sản xuất thí nghiệm graphene. Đột kích từ những bậc cha mẹ không đánh giá cao giá trị khoa học của các thí nghiệm đã khiến nhiều người xa rời khoa học, nhưng không phải tất cả. Năm 2010, hai người Nga, một nhân viên của Đại học Manchester (Anh) Andrei Geim và một nhà khoa học từ Chernogolovka (Nga) Konstantin Novoseltsev đã được trao giải thưởng Nobel vì phát hiện ra graphene, một loại tinh thể carbon mới, dày một lớp nguyên tử.

Vì vậy, công lao của các nhà khoa học và ý nghĩa của khám phá là gì? Để bắt đầu, chúng tôi sẽ đối phó với chính chủ đề khám phá. Graphene là một bề mặt hai chiều tinh thể (không phải là màng!) Một hoặc hai lớp nguyên tử dày. Điều thú vị nhất là về mặt lý thuyết, graphene đã được tạo ra bởi các nhà vật lý lý thuyết hơn 60 năm trước để mô tả các cấu trúc carbon ba chiều. Mô hình toán học của mạng hai chiều mô tả hoàn hảo các tính chất vật lý nhiệt của than chì và các biến đổi carbon ba chiều khác.

Nhưng nhiều nỗ lực để tạo ra các tinh thể carbon hai chiều đã kết thúc trong thất bại. Dịch vụ giảm giá mạnh trong các tìm kiếm này được cung cấp bởi các nhà lý thuyết, những người đã chứng minh một cách toán học sự bất khả thi của sự tồn tại của các bề mặt tinh thể. Thật khó để không tin họ: sau tất cả, đó là Leo Landau và Peierls - những nhà vật lý lý thuyết lớn nhất của thế kỷ 20.

Họ đã đưa ra những lập luận toán học không thể phủ nhận rằng các cấu trúc tinh thể phẳng thông thường không ổn định, bởi vì do các dao động nhiệt, các nguyên tử rời khỏi các nút của các tinh thể đó và trật tự bị xáo trộn. Tình hình trở nên trầm trọng hơn bởi thực tế là trong các thí nghiệm thực tế, các tính toán lý thuyết của các nhà khoa học đã nhận được xác nhận đầy đủ. Ý tưởng tổng hợp graphene đã bị từ bỏ trong một thời gian dài.

Và chỉ trong năm 2004, các nhà khoa học mới có thể có được, và quan trọng nhất là chứng minh rằng graphene là một thực tế. Để thu được graphene, một kỹ thuật đặc biệt của sự phân cắt hóa học của các mặt phẳng tinh thể than chì đã được sử dụng. Các quá trình tương tự xảy ra khi vẽ bằng bút chì trên các bề mặt gồ ghề, nhưng các yêu cầu đối với điều kiện bong tróc của các mẫu là chặt chẽ hơn nhiều.

Khó khăn thứ hai là bằng chứng về sự tồn tại của cấu trúc graphene. Làm thế nào người ta có thể quan sát một bề mặt có độ dày của một lớp nguyên tử? Các tác giả của khám phá nói rằng nếu họ không thể tìm ra cách quan sát graphene, họ sẽ không được phát hiện cho đến ngày nay.

Kỹ thuật khéo léo để quan sát graphene là tạo thành bề mặt tinh thể hai chiều trên đế silicon oxide. Và sau đó graphene được quan sát dưới kính hiển vi quang học thông thường. Mạng tinh thể graphene chính xác đã tạo ra một mô hình giao thoa, được quan sát bởi các nhà nghiên cứu.

Triển vọng ứng dụng thực tế của graphene

Việc phát hiện ra graphene gây ra phản ứng tương tự như một quả bom phát nổ. Sau nhiều thập kỷ hoàn toàn tin tưởng rằng không có sự biến đổi carbon hai chiều, đột nhiên hóa ra rằng với sự trợ giúp của các quy trình khá đơn giản, nó có thể thu được với số lượng không giới hạn. Nhưng tại sao?

Thực tế là việc sửa đổi carbon như vậy sở hữu các thuộc tính, thường được các nhà khoa học hạn chế, đưa ra các biểu tượng tuyệt vời, tuyệt vời, độc đáo. Và họ có thể được tin tưởng. Hàng trăm ứng dụng của tài liệu này được cung cấp ngày hôm nay và mỗi tuần xuất hiện thông tin về các tính năng mới của graphene.

Ngay cả một danh sách ngắn cũng rất ấn tượng: các vi mạch với mật độ hơn 10 tỷ bóng bán dẫn hiệu ứng trường trên mỗi cm vuông, máy tính lượng tử, cảm biến có kích thước vài nanomet chỉ có trong điện tử. Và cũng có thể sạc lại pin có dung lượng tuyệt vời, bộ lọc nước bẫy mọi tạp chất và hơn thế nữa.

Các tính chất đặc biệt của graphene cho phép không chỉ loại bỏ nhiệt một cách hiệu quả mà còn chuyển đổi nó trở lại thành năng lượng điện. Cho rằng mạng graphene (mặt phẳng) có độ dày một lớp nguyên tử, có thể dễ dàng dự đoán rằng mật độ của phần tử trên chip sẽ tăng mạnh và có thể đạt 10 tỷ bóng bán dẫn trên mỗi cm vuông. Ngày nay đã triển khai các bóng bán dẫn graphene và microcircuits, bộ trộn tần số, bộ điều biến hoạt động ở tần số trên 10 GHz.

Các nhà phát triển không kém phần lạc quan về việc sử dụng ống nano carbon trong vi điện tử. Dựa trên chúng, các cấu trúc bóng bán dẫn đã được triển khai và gần đây, các chuyên gia của IBM đã trình diễn một vi mạch trong đó 10 nghìn ống nano được hình thành.

Tất nhiên, vật liệu carbon không thể ngay lập tức thay thế silicon trong vi điện tử. Nhưng việc tạo ra các vi mạch lai, tận dụng cả hai vật liệu, đã ở cấp độ thương mại. Ngày không còn xa khi các bộ vi xử lý sẽ xuất hiện trong một thiết bị di động thông thường, sức mạnh tính toán của nó sẽ vượt quá hiệu năng của các siêu máy tính hiện đại.

Đừng nghĩ rằng tất cả các ứng dụng này là vấn đề của tương lai xa. Những người khổng lồ của ngành công nghiệp điện tử - IBM, Samsung và nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu thương mại đã tham gia vào cuộc đua thực hiện khám phá khoa học thực tế. Theo các chuyên gia, trong thập kỷ tới, graphene sẽ trở thành vật liệu quen thuộc. Và một số trò đùa rằng Thung lũng Silicon ở California sẽ phải đổi tên thành Graphite.