Исследователям из Стенфордского университета удалось впервые показать пригодность графеновых материалов для создания сверхбыстрых процессоров для ЭВМ будущего. Первооткрывателем, в сущности, простого химического метода создания ультратонких графеновых полос стал профессор Хунцзе Дай. Это открытие должно еще более подогреть ажиотаж вокруг перспективного материала, уже всерьез заинтересовавшего специалистов из компаний-гигантов силиконовой индустрии — IBM, HP и Intel.
Статья о достижениях ученых принята к печати в журнале Science.
Графен — это материал, состоящий из атомов углерода, объединенных в двумерную (однослойную) упорядоченную по типу пчелиных сот структуру. Эти слои имеются и в более привычном простым смертным материале — графите, однако там они объединены в «пачке», наподобие пачек писчей бумаги, слабыми Ван-дер-Ваальсовыми межслоевыми взаимодействиями. Структура графена близка к структуре другой аллотропной модификации углерода — углеродным нанотрубкам, так же активно исследуемым в наши дни и рассматриваемым в качестве еще одного перспективного для микроэлектроники материала. И графен, и нанотрубки углерода отличаются чрезвычайно высокой электронной проводимостью, которая может обеспечить невообразимую скорость переключения элементарных логических элементов — транзисторов, построенных на их основе. Так, специалисты предсказывают скорость работы графеновых микрочипов, превышающую скорость работы современных кремниевых микропроцессоров в тысячи раз.
Однако графен обладает одним существенным недостатком в сравнении с кремнием, повсеместно применяемым в производстве микросхем.
(от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) — трёхэлектродный полупроводниковый электронный прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. Управление тока в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного тока, либо входного напряжения. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). Другим важнейшим применением транзисторов является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения памяти, процессора, логики и т. п.
Тем не менее, теоретические выкладки показывают, что, нарезав графеновый лист в длинные тонкие полосы, можно значительно повысить соотношение проводимости закрытого и открытого состояния транзисторов. Эти расчеты получили некое подтверждение в работах исследователей из IBM и Колумбийского университета, однако и им не удалось получить сколько-нибудь приемлемого соотношения проводимостей между включенным и выключенным состоянием.
Дай, как истинный химик, в своей работе решил отказаться от технологии нарезания тонких графеновых полос, пока еще мало эффективной и чрезвычайно дорогостоящей. Эта технология в наши дни построена по принципу копирования литографических подходов, повсеместно используемых в кремниевой индустрии, однако мало пригодных для отсекания отдельных атомов углерода от графенового полотна.
Дай обратился к привычным методам мокрой химии, и удача улыбнулась ему. В качестве исходного материала в своей методике он использовал хлопья графита, которые, как мы уже упоминали, состоят из сложенных в пачку графеновых листов. Затем он подверг их химическому воздействию серной и азотной кислот. В ходе этого процесса происходит внедрение (специалисты употребляют термин «интеркалация») молекул кислотных остатков в межслоевое пространство. Такая возможность внедрения посторонних молекул и атомов в структуру графита обусловлена довольно большим и, кроме того, варьируемым расстоянием между слоями в кристаллической структуре этого углеродного материала. Она используется, в частности, в производстве аккумуляторов для автономных электронных устройств.
В дальнейшем Дай подверг интеркалат (продукт интеркалации) быстрому нагреванию до очень высоких температур (500–700oС), в ходе которого происходит стремительное испарение кислотных молекул, разрывающее хлопья графита на отдельные листы графена и расширяющее графит в сотни раз. Стоит отметить, что данная технология не нова, и терморасширенный таким образом графит широко используется в производстве огнеупорных красок и уплотнительных материалов.
Тонкая полоса графена (слева) шириной порядка 20 нм и её художественное изображение (справа).
Как отмечает сам Дай, ему и в голову не могло прийти, что такие нехитрые манипуляции с графеном могут привести к получению уникальных углеродных образований — наиболее тонкие графеновые полосы, полученные Даем, имеют менее десяти нанометров в ширину, а длина их превышает несколько микрон.
Созданные же Даем на основе этих полос транзисторы продемонстрировали необычайно высокое соотношение проводимости между открытым и закрытым состоянием — более чем 100000/1 — весьма привлекательное для микроэлектронной промышленности. Прежние достижения с использованием графена не превышали 30/1.
Однако на пути создания процессоров для ЭВМ на основе транзисторов при помощи метода Дая стоит несколько серьезных препятствий. Во-первых, полученные ленты графена нуждаются в тщательной сортировке — слишком крупные объекты, равно как и бесформенные куски графена, должны быть удалены, а оставшиеся необходимо организовать в упорядоченную электрическую цепь.
Австралийские учёные придумали простой и дешёвый способ производства графена – мономолекулярных слоёв углерода, которые считаются одним из самых многообещающих материалов грядущей «нанореволюции» благодаря его уникальным тепло- и электропроводным и механическим свойства. Секрет заключается в разделении слоёв в подщелоченной воде, уверены химики.
Слои графена довольно трудно разделить – они имеют склонность слипаться, образуя привычный графит. Для их разъединения используются сложные и дорогие современные методы, и многие учёные до сих пор полагали задачу их дешёвого производства неразрешимой.
Группе учёных под руководством Даня Ли из университета австралийского города Вуллунгонга, расположенного в паре сотен километров от Сиднея и Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе удалось разработать простой метод разделения графита на графеновые листы, основанный на классической химии. Их работа принята к публикации в журнале Nature Nanotechnology.
По словам одного из участников проекта, аспиранта Даня Ли Бенджамина Мюллера, основная идея метода – насыщение отдельных графеновых слоёв избыточным электрическим зарядом в водном растворе. Благодаря электростатическому отталкиванию слои перестают слипаться. Метод не требует использования дорогих синтетических стабилизаторов и позволяет получать коллоидные растворы листового графена из обыкновенного графита с помощью серии химических реакций.
Как говорит руководитель Центра превосходства в науках об электроматериалах Университета Вуллунгонга профессор Гордон Уоллис, являющийся одним из соавторов работы, метод позволяет получать растворы, из которых легко будет стандартными методами – например, фильтрацией и распылением – формировать хорошо проводящие плёнки. Такие плёнки могут использоваться не только для антистатических покрытий, но и в производстве прозрачной электроники, высокопроизводительных композитных материалов и в наномедицине.
Питер Эклунд, профессор Пенсильванского университета, в свою очередь, несколько развенчивает оптимизм ученых и настаивает на необходимости дальнейшего развития методик литографии и адаптации их к графеновой технологии. По его словам, только эти методы позволят надежно и воспроизводимо получать сложные структуры на основе графена.
Тем не менее, Эклунд не отрицает принципиальной важности работы Дая, впервые сумевшего показать свойства графенового материала, ранее предсказанные только на бумаге. По его мнению, данная работа спровоцирует еще больший интерес научного сообщества и неизбежно активизирует работы как в направлении доводки литографических методик получения комплексных структур, так и по химической модификации графеновых полос.
