Графен — материал будущего

Углеродная пленка толщиной в один атом сделает ПК значительно более мощными — графен в скором времени будет использоваться во многих компьютерных компонентах.

Графен пока еще довольно дорог. На сайте graphenea.com четыре небольшие пластины на кремниевой подложке продаются по цене €249 (около 10 500 рублей)*.

Нет ничего легче, тверже, прозрачнее и в то же время эластичнее, чем один слой карандашного грифеля. Он состоит из графита, то есть кристаллизованного углерода. Если взять слой графита толщиной в один атом, мы получим графен. Это очень прочный, но при этом необычайно гибкий материал. Он проводит ток и тепло так же хорошо, как и металлы, и в то же время прозрачен как стекло. Электроны перемещаются по графену почти в 100 раз быстрее, чем по кремнию, который является в настоящее время основным материалом при производстве процессоров. Таким образом, если использовать графен при изготовлении чипов, то он сможет значительно повысить производительность компьютеров. Получить графен удалось относительно недавно, девять лет назад, физикам Андрею Гейму и Константину Новоселову.

По мнению ученых, применение графена в оборудовании связи может увеличить скорость передачи данных в десятки и даже сотни раз. За открытие графена Андрей Гейм и Константин Новоселов, работающие в Англии, получили в 2010 году Нобелевскую премию по физике.Возникает вопрос, где именно можно применить этот чудо-материал? Ответ на него только Евросоюзу будет стоить не менее миллиарда евро — именно такую сумму намерено инвестировать европейское сообщество в ближайшие годы в проекты по изучению свойств графена. Однако не только государства, но и крупные IT-компании, такие как Nokia и Samsung, включаются в работу по исследованию графена.

Для получения графена от невзрачного куска графита (1) необходимо отделить слой атомов. Электронный микроскоп позволяет рассмотреть равномерную ячеистую структуру материала (2).

Технологический рывок в развитии ПК

Мысль о 100-гигагерцевом процессоре или аккумуляторе, который заряжается за считаные секунды, по-настоящему взбудоражила компьютерную индустрию и исследовательские институты. Однако графен слишком хорошо проводит ток, и для производства транзисторов потребуется внести изменения в их архитектуру. Другие сферы применения — например, дисплеи, аккумуляторы, солнечные батареи или же наушники — более доступны для освоения.

Отличная проводимость и высокая прочность

По графену электроны перемещаются с большой скоростью. При этом материал имеет очень хорошую прочность, гибкость и прозрачность.

Раскрыть секрет графена поможет знакомство со строением материала на уровне атомов. Гексагональная решетка атомов углерода возникает в результате того, что три из четырех электронов образуют соединение со своими «соседями». Орбиталь же четвертого электрона перпендикулярна по отношению к плоскости графена. Связанные электроны обеспечивают прочность решетки, в то время как несвязанный электрон придает графену высокую тепло- и электропроводность. Благодаря соединению атомов углерода графен обладает такой же прочностью, как и алмаз. Кроме того, решетка с сетчатой структурой поддается растяжению приблизительно на 20%. Для использования в компьютерной технике интерес представляет несвязанный электрон, так как графен обладает одной особенностью: пересечение валентной и энергетической зон у электронов в данном материале крайне мало. Благодаря этому электроны перемещаются по графеновой решетке с высокой скоростью и почти без сопротивления. Таким образом, графеновые транзисторы как основа компьютерных  процессоров могут работать на очень высоких частотах, не нагреваясь при этом. Так, компания IBM уже разработала в 2010 году транзистор, который переключается с частотой 100 ГГц.

Решетка из атомов углерода. В графене три внешних электрона углерода образуют соединение с электронами соседних атомов. Четвертый электрон остается несвязанным. Первое делает графен прочным, второе — проводимым.

Заполнение отсутствующих ячеек. Как выяснили ученые, графен имеет свойство самостоятельно восстанавливаться с помощью катализатора. Для этого ему необходимы дополнительные атомы углерода.

Прогресс в массовом производстве

Однако все «графеновые мечты» могут разбиться, если не будет налажено недорогое производство данного материала. Три метода являются достаточно многообещающими. Первый подразумевает эксфолиацию, то есть расщепление графита, в результате чего образуются хлопья графена длиной 1 мм. Данного количества материала достаточно для исследовательских целей, но не для массового производства. Второй способ предусматривает использование карбида кремния с помощью графитизации при высоких температурах. Высокая температура (1500–2000 °C) приводит к разложению карбида кремния. Кремний, как более летучий элемент, уходит из приповерхностных слоев, оставляя монослойный или многослойный графен. С помощью данного метода изготавливаются подложки, состоящие из слоя графена и карбида кремния в качестве материала основания. Их диаметр составляет 50 мм. При использовании же третьего метода — химического осаждения из газовой фазы (англ. Chemical Vapour Deposition, CVD) — углеродосодержащий газ при сильном нагреве (900 °С) на медной поверхности разлагается, в результате чего образуется графен. Стоит отметить, что именно последний метод является в настоящее время наиболее перспективной технологией.

Графен для производства транзисторов

При производстве транзисторов не удастся просто заменить кремний на графен — необходимо внести в их конструкцию изменения с учетом особенностей этого материала.

Транзисторы являются основными элементами компьютерных процессоров. Они производятся из кремния, четыре внешних электрона которого образуют соединение с соседними атомами. В отличие от графена, свободного электрона здесь нет. Для того чтобы кремниевый  транзистор при подаче напряжения открывал канал, по которому электроны могли бы передвигаться от истока к стоку, материал легируется, то есть в него добавляются атомы другого вещества. Например, исток и сток легированы примесью n-типа, так как они имеют посторонние атомы с пятью внешними электронами (примером такого материала является мышьяк). При добавлении мышьяка в кремний появляется один свободный внешний электрон. Канал же легируется примесью p-типа — например, с помощью бора, который имеет лишь три внешних электрона, то есть обладает местом для свободного электрона.

Чтобы заставить электроны двигаться, подается напряжение, величина которого зависит от уровня легирования. Ширина запрещенной зоны для кремния составляет 1,1 эВ (электронвольт). Такое количество энергии необходимо подать, чтобы внешний электрон переместился из валентной зоны в зону проводимости. После этого транзистор переключается, и электроны начинают перемещаться от истока к стоку. Графен, напротив, не имеет запрещенной зоны, в зоне проводимости всегда присутствуют электроны. Графеновый транзистор изначально находится в открытом состоянии, даже если не подается напряжение.

Кремниевый транзистор переключается в тот момент, когда на затвор подается напряжение (1). При этом в подложке открывается канал, по которому электроны перемещаются от истока к стоку (2).

Деформация графена для получения свойств полупроводника

Чтобы графен можно было использовать для производства транзисторов, необходимо обеспечить наличие запрещенной зоны. В последнее время можно отметить некоторые успехи в данной области. Так, группа ученых из Технологического института Джорджии создала с помощью метода, использующего карбид кремния, графеновые борозды размером в несколько нанометров. Благодаря волнистой форме графена удалось получить запрещенную зону в 0,5 эВ. Еще дальше продвинулись японские ученые. С помощью технологии CVD они создали графеновый транзистор, выполненный по техпроцессу 30 нм, что в настоящее время соответствует уровню развития кремниевых технологий. Японские инженеры планируют в ближайшее время изготовить подложку на этих транзисторах, чтобы проверить пригодность их метода для массового производства.

Кремниевые транзисторы переключаются только в тот момент, когда электроны находятся в зоне проводимости. Им нужна энергия, чтобы преодолеть свободное пространство между валентной зоной и зоной проводимости. В графене это пространство отсутствует, транзистор всегда открыт. Чтобы получить запрещенную зону, ученые Технологического института Джорджии из Атланты создали графеновые наноленты, которые могут служить исходным материалом для производства транзисторов.

  Чтобы иметь возможность переключения, графеновый транзистор нуждается в двух затворах. Дополнительно в целях получения запрещенной зоны графеновая решетка подвергается бомбардировке ионами гелия.

Сфера применения: память, аккумуляторы, дисплеи

Графен позволит также оптимизировать периферийные устройства. Предположительно, первыми из них будут дисплеи.

Когда ученые найдут способ использования графена в транзисторах, возможность применения этого материала при производстве флеш-памяти, а значит, и длительного хранения данных будет не за горами. Ячейка флеш-памяти работает как транзистор. При подаче напряжения электроны также начинают перемещаться от истока к стоку. Между управляющим затвором и каналом располагается плавающий затвор. Последний, по сути, и представляет собой запоминающее устройство, так как количество электронов в плавающем затворе определяет значения битов, которые ячейка квитирует в процессе чтения. При подаче высокого положительного напряжения (более 10 В) плавающий затвор заполняется электронами, посредством соответствующего отрицательного напряжения электроны из него удаляются. Так, недавно швейцарские ученые из Высшей технической школы Лозанны создали ячейку флеш-памяти с графеном в качестве материала запоминающего устройства в плавающем затворе.

Швейцарские ученые создали ячейку флеш-памяти, которая хранит электроны в плавающем затворе из графена. Благодаря каналу из молибденита она работает быстрее и потребляет меньше электроэнергии, чем любая современная флеш-память.

Графен заменит дорогие материалы

Великолепная проводимость графена предопределила сферы его применения — солнечные батареи и аккумуляторы. Опыты, проведенные в Политехническом институте Ренсселера в Нью-Йорке, показали, что время зарядки аккумуляторов емкостью до 2500 мАч можно снизить до 90 с. Кроме того, графен не только хорошо проводит ток, но и является прозрачным материалом, что позволяет использовать его при производстве дисплеев. Органические светодиоды на основе графеновых электродов были представлены Стэнфордским университетом еще в 2010 году. В данном случае графен заменяет прозрачный, но дорогой оксид индия-олова (ITO), который используется также в солнечных батареях. Механические свойства графена тоже представляют значительную ценность: его небольшая масса и высокая гибкость при невероятной прочности делают графен великолепным материалом для изготовления мембран для наушников. Сможет ли графен оправдать возлагаемые на него исследователями и компаниями надежды, пока остается неизвестным. Нерешенным в настоящее время является и вопрос о массовом производстве графена. Недавно группа физиков, возглавляемая лауреатом Нобелевской премии, российским ученым Константином Новоселовым, представила «дорожную карту» графена. Согласно приведенным в ней данным, такие продукты, как OLED-дисплеи, появятся довольно скоро, а вот графенового процессора, работающего на частоте 100 ГГц, нам придется ждать еще как минимум десять лет.

Гибкие дисплеи, идеальные наушники. Периферийные устройства также окажутся только в выигрыше от использования графена. Он прозрачен и гибок, идеально подходит для создания гибких дисплеев (1). А использование графена в качестве материала мембраны (2) для наушников позволяет добиться отличного звучания.

    «Дорожная карта» графена. Группа ученых, возглавляемая лауреатом Нобелевской премии Константином Новоселовым, выдвинула прогноз относительно сроков появления первых продуктов на основе графена. Все начнется с дисплеев, затем появятся высокочастотные транзисторы для беспроводной связи, а также логические транзисторы для компьютерных процессоров.

---

  *ФОТО: Cornell University; Brian Bilek/Flickr; Georgia Tech; Image courtesy Lawrence Berkeley National Laboratory; Selbstheilung/S. 39/Reprinted with permission from Nano Letters/«Graphene Reknits Ist Holes»/Copyright 2012 American Chemical Society; Nr. 2/S. 39/Reprinted with permission from Nano Letters/«Direct Imaging of Lattice Atoms and Topological Defects in Graphenen Membranes»/Copyright 2008 American Chemical Society; nobeastsofierce/seraficus/Istockphoto.com