В статье рассказывается о перспективах применения графена и углеродных нанотрубок в микроэлектронике, а также о пользе и вреде "Материала будущего"
Слушая глубокомысленные рассуждения государственных чинов о необходимости развивать нанотехнологии, невольно удивляешься нелогичности их поступков: на оборону выделяются средства, несравнимые с бюджетом науки. Притом, что сейчас деньги, вложенные в научные исследования, позволят не только радикально изменить жизнь людей, но и вплотную подойти к решению проблемы бессмертия человека.
Говоря о нанотехнологиях, в первую очередь приходят на ум открытие графена и углеродных нанотрубок. Именно с ними связывают ученые прорыв в области электроники и фармакологии в 21 веке. Создание квантовых компьютеров, систем считывания сигналов на клеточном уровне, нанороботов для лечения организма – это только малый перечень открывающихся возможностей. Сейчас эти возможности перешли из области фантастики в область лабораторных разработок.
Особая тема – это микроэлектроника. Современные микропроцессоры и чипы памяти уже преодолевают значение технологических норм в 10 нанометров. Впереди рубеж 4-6 нм. Но чем дальше двигаются разработчики по пути миниатюризации, тем сложнее задачи приходится решать. Инженера вплотную приблизились к физическим пределам кремниевых чипов. Те, кто интересуются современными микропроцессорами, знают, что их быстродействие затормозилось на тактовой частоте около 4 ГГц и дальше не увеличивается.
Кремний является прекрасным материалом для микроэлектроники, но обладает существенным недостатком – плохой теплопроводностью. И с ростом тактовой частоты и плотности элементов этот недостаток становится барьером на пути дальнейшего развития микроэлектроники.
К счастью, сегодня появилась реальная возможность использовать альтернативные материалы. Это графен, двухмерная форма углерода и углеродные нанотрубки, которые являются трехмерной кристаллической формой того же углерода. Уже первые результаты исследований привели к созданию графеновых транзисторов, работающих на частоте до 300 ГГц. Причем, опытные образцы сохраняли свои характеристики при температурах 125 градусов по Цельсию.
История открытия графенового чуда
Самозабвенно разрисовывая в раннем детстве стены комнат простым карандашом, мы не подозревали, что занимаемся серьезной наукой – производим опыты по получению графена. Взбучка от родителей, не оценивших научную ценность экспериментов, многих отвратила от науки, но не всех. В 2010 году двоим россиянам, сотруднику Манчестерского университета (Великобритания) Андрею Гейму и ученому из Черноголовки (Россия) Константину Новосельцеву присудили Нобелевскую премию за открытие графена – новой кристаллической модификации углерода, толщиной в один атомный слой.
Так в чем же состояла заслуга ученых и значение открытия? Для начала разберемся с самим предметом открытия. Графен – это кристаллическая двумерная поверхность (не пленка!) толщиной в один или два атомных слоя.
Самое интересное состоит в том, что теоретически графен был «создан» физиками-теоретиками более 60 лет назад для описания трехмерных структур углерода. Математическая модель двумерной решетки прекрасно описывала теплофизические свойства графита и иных трехмерных модификаций углерода.
Но многочисленные попытки создать двумерные кристаллы углерода заканчивались неудачами. «Медвежью» услугу в этих поисках оказали теоретики, которые математически обосновали невозможность существования кристаллических поверхностей. Не верить им было трудно: ведь это были Лев Ландау и Пайерлс – крупнейшие физики- теоретики 20 века.
Они привели неоспоримые математические доводы, что правильные плоские кристаллические структуры неустойчивы, т.к. за счет тепловых колебаний атомы покинут узлы таких кристаллов и порядок нарушится. Ситуацию усугубило то, что в реальных экспериментах теоретические выкладки ученых получали полное подтверждение. Идею синтеза графена надолго забросили.
И только в 2004 году ученым удалось получить, а главное, доказать, что графен – это реальность. Для получения графена использовалась специальная методика химического скалывания графитовых кристаллических плоскостей. Похожие процессы происходят при рисовании карандашом по шершавым поверхностям, но требования к условиям отслоения образцов неизмеримо жестче.
Второй трудностью было доказательство существования графеновой структуры. Как можно наблюдать поверхность толщиной в один атомный слой? Авторы открытия говорят, что если бы не удалось найти способа наблюдения графена, то его не открыли бы до наших дней.
Остроумная методика наблюдения графена заключалась в формировании двумерной кристаллической поверхности на подложке из окиси кремния. А затем графен наблюдали в обычный оптический микроскоп. Правильная кристаллическая решетка графена создавала интерференционную картину, которая и наблюдалась исследователями.
Перспективы практического применения графена
Открытие графена вызвало реакцию, подобную разорвавшейся бомбы. После десятилетий полной уверенности, что двухмерной модификации углерода не существует, вдруг оказалось, что с помощью достаточно простых процессов его можно получать в неограниченном количестве. Только зачем?
Дело в том, что подобная модификация углерода обладает свойствами, которые, обычно сдержанные ученые, наделяют эпитетами фантастические, чудесные, уникальные. И им можно поверить. Сотни применений этого материала предложены уже сегодня, и каждую неделю появляется информация о новых возможностях графена.
Даже короткий перечень впечатляет: микрочипы с плотностью более 10 миллиардов полевых транзисторов на квадратный сантиметр, квантовые компьютеры, датчики размером несколько нанометров – это только в электронике. А еще аккумуляторные батареи фантастической емкости, фильтры для воды, которые задерживают любые примеси и многое другое.
Особые свойства графена позволяют не только эффективно отводить тепло, но и преобразовывать его обратно в электрическую энергию. Учитывая, что графеновая решетка (плоскость) имеет толщину в один атомный слой, несложно предсказать, что плотность элементом на чипе резко возрастет и может достигнуть 10 миллиардов транзистором на квадратный сантиметр. Уже сегодня реализованы графеновые транзисторы и микросхемы, смесители частоты, модуляторы, работающие на частотах выше 10 ГГц.
(Микрочип, который фильтрует нежелательное излучение с помощью графена, был разработан учеными в Федеральной политехнической школе в Лозанне (EPFL) и проверен исследователями из Женевского университета (Unige), оба из Швейцарии. Изобретение может быть использовано в будущих устройствах для передачи данных в десять раз быстрее. Результаты опубликованы в Nature Communications.)
Не менее оптимистично относятся разработчики и к применению углеродных нанотрубок в микроэлектронике. На их основе уже реализованы транзисторные структуры, а недавно специалисты IBM продемонстрировали микросхему, на которой было сформировано 10 тысяч нанотрубок.
Конечно, сразу углеродные материалы не смогут заменить кремний в микроэлектронике. Но создание гибридных микросхем, в которых используются преимущества обоих материалов, уже выходит на коммерческий уровень. Не за горами тот день, когда в обычном мобильном устройстве появятся микропроцессоры, вычислительная мощь которых будет превышать производительность современных суперкомпьютеров.
Не стоит думать, что все эти применения – дело отдаленного будущего. В гонку практической реализации научного открытия включились гиганты электронной индустрии - корпорация IBM, Samsung и множество коммерческих исследовательских лабораторий.
По мнению специалистов, в ближайшее десятилетие графен станет привычным материалом. А некоторые шутят, что Силиконовую долину в Калифорнии придется переименовывать на Графитовую.
Как и во всем, есть мнения, которые расходятся. Известный голландский физик Уолт Де Хеер утверждает, что:
«Графен никогда не заменит кремний». «Никто, кто знает мир, не может сказать это серьезно. Он просто сделает некоторые вещи, которые не может сделать кремний. Это похоже на корабли и самолеты. Самолеты никогда не заменяли корабли.
Я, конечно, хочу посмотреть, как далеко продвинутся исследования. А вы?
Конечно графен можно по праву назвать революционным материалом XXI века. Этот вариант соединения углерода является самым тонким, прочным, и обладает наивысшей электропроводностью. Сегодня на исследования графена выделено несколько миллиардов долларов, и по прогнозам ученых, этот материал сможет заменить собою кремний в полупроводниковой промышленности. Графен несомненно перевернет мир технологий в ближайшие годы, не в последнюю очередь еще и потому, что он недорог в производстве, и очень распространен в природе. Каждая из стран имеет его в изобилии.
Тем временем, инженеры из Испании разработали на основе графена аккумуляторную батарею нового поколения. Она получилась на 77% дешевле литиевых аналогов, в два раза легче по весу, а благодаря уникальным электропроводным свойствам графена, может быть полностью заряжена всего за 8 минут, и этого заряда хватит на 1000 километров пробега электромобилю.
Новые батареи уже протестировали две автомобильные компании Германии. Электромобиль считается весьма перспективным видом транспорта, несмотря на меньшую мощь и скорость, по сравнению с традиционными автомобилями на жидком топливе, ведь основные потребности большинства людей он удовлетворяет вполне.
Самые современные серийные электромобили на литиевых аккумуляторах требуют для зарядки несколько часов, при этом хватает заряда едва ли на 300 километров. По сравнению с этим, новые графен-полимерные аккумуляторы испанской компании Graphenano, разработанные совместно с учеными из Национального университета Кордовы, выглядят революционным чудо-источником, полностью устраняя недостатки традиционных литий-ионных батарей.
На данный момент Graphenano — ведущий в мире производитель графена в промышленных объемах, и уже наработанный инженерами опыт позволяет назвать их профессионалами на этом революционном пути.
Графен чрезвычайно легок, лист площадью 1 квадратный метр весит 0,77 грамма, он прозрачен, гибок, водонепроницаем, в 200 раз прочнее стали, и при всем при этом не представляет угрозы загрязнения для окружающей среды. После повреждений материал легко восстанавливается. Сверхвысокая электропроводность графена позволяет получить скорость в чипах в 100 раз большую, чем у современных кремниевых чипов.
Графен легко проводит тепло, генерирует электроэнергию, и способен менять свои свойства в сочетании с другими материалами — в нем могут пересекаться даже мельчайшие атомы гелия.
В конце 2015 года Graphenano открыли завод площадью более 7000 квадратных метров по производству графен-полимерных аккумуляторов в испанском городе Екла, благодаря объединению усилий с группой химиков из Национального университета Кордовы и компанией Grabat Energy. Было создано специальное оборудование для обеспечения 20 сборочных линий на 80 миллионов ячеек.
Выпуск первых аккумуляторов с высокой добавочной стоимостью запланирован на 2017 год. Эти аккумуляторы не будут производить газ и не будут пожароопасными, заявляют в Graphenano, даже короткое замыкание им не будет страшно. Полимер был сертифицирован при сотрудничестве с институтами Декра (Испания) и TUV (Германия).
Тестовые результаты уже превысили 1000 Ватт-часов на килограмм для нового графен-полимера. Не удивительно, что Graphenano заключили договора о сотрудничестве со многими лидерами аэрокосмической и автомобильной отраслей, а также с компаниями, занимающимися возобновляемыми источниками энергии.
Но, исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде обнаружили, что "материал будущего" графен, обещающий революцию во многих областях технологий, далеко не безопасен. Он может оказывать губительное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.
Графен - это материал с уникальными свойствами, многие связывают с ним будущее всей электронной индустрии. Графен прочнее стали, гибок, обладает высокой электропроводимостью, при этом состоит всего из одного слоя атомов углерода. Эти свойства привели к тому, что материал стали воспринимать как основу для множества будущих "прорывных" изобретений человечества.
Тем не менее, до недавнего времени серьезным изучением экологических последствий применения нового материала никто не занимался. После продолжительного исследования ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде пришли к выводу, что графен может быть опасен.
Выяснилось, что при попадании материала в грунтовые воды гексагональная структура графена начинает разрушаться, микрочастицы довольно быстро теряют стабильность, разрушаются и значительного вреда принести не могут. А вот графеновое загрязнение поверхностных вод, в которых больше органики, а жесткость ниже, может оказаться гораздо более серьезным. Молекулярная структура графена такова, что острые выступы нано-частиц материала способны разрывать мембраны клеток живых организмов, что обуславливает его токсичность. Ученые призывают максимально тщательно изучить свойства графена до того, как его начнут активно использовать в производстве электроники.
Тем не менее, вряд ли это открытие остановят человечество от масштабного применения графена. Материал обладает настолько уникальными свойствами, что заменить его попросту нечем. Ни один сплав не может похвастаться такой теплопроводностью, выдающейся прочностью и максимальными из всех известных материалов электропроводящими качествами. Подвижность электронов в графеновых структурах в сто раз превышает показатель кремния, который в данный момент является основой практически всей электроники на планете.
По своим свойствам графен куда надежнее, чем сталь. Гаджеты будущего на его основе окажутся куда более устойчивыми к повреждениям, чем то, что мы имеем сейчас. Но и это еще не все - графен может в сто раз ускорить скорость доступа к Интернету, привести к революции в компьютерной индустрии, на несколько порядков увеличив мощность процессоров. Графен нашел применение в медицине, в укреплении старых зданий, в производстве электроэнергии и сотнях других областей.
-------------------------------------------------
использован материал сайтов:
