За прошедшие несколько десятилетий был совершен огромный рывок в вычислительных мощностях и электронике. Однако в настоящее время вычислительные скорости постепенно исчерпали свои возможности, в том числе и в силу того, что кремний, используемый в большинстве современных транзисторов и микросхем, достиг предела своих физико-химических свойств. Но на смену ему уже приходит новый, революционный материал. Это графен, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Невероятно прочный, и в то же время, практически незаметный для человеческого глаза. Многие ученые и исследователи уже говорят о графеновой революции, ожидающей нас в самом ближайшем будущем.
Что такое графен
Углерод является одним из тех уникальных элементов, который способен формировать различные структуры в виде одномерных пространственных цепочек. Благодаря этим свойствам поддерживается, в частности, и развитие генетического кода живых существ на нашей планете. В течение долгого времени ученым было известно о существовании только трех аллотропных модификаций углерода. Это графит, алмаз и сажа. Однако примерно с 60-х годов прошлого столетия семейство модификаций углерода начало быстро пополняться. В частности, была обнаружена одномерная модификация углерода карбин.
Но в 2004 году состоялось по-настоящему революционное открытие. Исследователи из университета Манчестера, выходцы из России, Андрей Гейм и Константин Новоселов, в лабораторных условиях сумели получить двумерную форму углерода – тот самый графен. Через шесть лет они удостоились Нобелевской премии за свое открытие и проведенные эксперименты.
Что же представляет собой графен? Это на сегодняшний день самый тонкий материал в мире, состоящий лишь из одного слоя атомов углерода. Получить его можно из графита, который хорошо знаком нам по карандашным стержням. По своей структуре графен напоминает пчелиные соты, то есть атомы здесь организованы в гексагональную кристаллическую решетку, которая «упакована» максимально плотно. Ранее исследователи полагали, что таких однослойных кристаллов с идеальной структурой, в принципе, не должно существовать. Однако выходцам из России посредством обычной скотч-ленты удалось «отщепить» от кристалла графита одну атомарную плоскость. Так получился материал, наделенный уникальными свойствами.
Открытие спровоцировало огромную волну исследований и экспериментов. Было проведено всестороннее изучение физико-химических характеристик нового материала, который превзошел все ожидания ученых. Ведь свойства двумерной аллотропной формы углерода, то есть графена, резко отличались от характеристик известных нам трехмерных веществ. Сразу выяснилось, в частности, что электроны в графене не обладают массой, что делает их похожими на фотоны света. Но при этом они двигаются в сотни раз медленнее и имеют не нулевой заряд.
Также оказалось, что электроны обладают очень высокой чувствительностью внешнего электрического поля. В этой связи подвижность электронов в графене в сто раз выше, чем в обычном кремнии. Последний, как известно, широко применяется сегодня при создании микросхем. Но чем больше подвижность электронов, тем большей производительностью и вычислительной скоростью обладают устройства. Соответственно, в этом плане графен имеет огромное преимущество перед кремнием и другими материалами.
Кратко можно перечислить следующие свойства графена:
- Высокая электропроводность. Графен проводит электричество так же хорошо, как и обычная медь, поэтому на его основе можно создавать самые разнообразные электрические приборы;
- Хорошая механическая прочность. По прочности графен превосходит алмаз;
- Отличная оптическая чистота. Графенспособен поглощать лишь чуть более двух процентов видимого света независимо от характеристик излучения. Благодаря этому уникальный материал практически бесцветен и для стороннего наблюдателя он вообще может показаться невидимым;
- Рекордная теплопроводность. У графена она в десять раза выше, чем у меди, которая является превосходным проводником тепла.
- Гибкость. Графен более гибкий, чем кремний. По этому параметру он даже превосходит резину. Однослойная структура позволяет растягивать и изменять форму графена так, как это необходимо;
- Способность противостоять внешним воздействиям.
На сегодняшний день существует несколько методов получения графена:
– Механическое отщепление
Это наиболее распространенный способ получения графена в условиях научно-исследовательских лабораторий. Представляет собой ручную процедуру, которая позволяет получить наиболее качественные образцы графена с высокой подвижностью электронов. Сам метод довольно прост: скотч-лента наклеивается на графит и отделяется. Далее ленту соединяют с другой и снова разделяют, чтобы минимизировать слой графита. Наконец, ленту с очень тонким слоем прижимают к какой-либо идеально ровной поверхности и, таким образом, оставляют на ней чистый графен. Разумеется, этот метод не слишком подходит для промышленного выпуска графена.
– Химическое отслаивание
Следующий вариант – применение особый растворителей, способных при контакте с графитом и активном использовании ультразвука расщеплять этот материал на однослойные пластинки. Таким способом можно дробить графит несколько раз, добиваясь получения все более качественного графена. Далее отдельные кусочки соединяют посредством особой центрифуги. Полученныйграфен можно применять в проводящих материалах и биомедицине.
– Отслаивание с использованием оксида графена
Метод схож с предыдущим, только разница в том, что графит подвергают окислению. В результате некоторых реакций образуется оксид графена. Далее вновь задействуется центрифуга, и на полученный материал воздействуют термическими и химическими способами для возвращения его к состоянию графена. Достигнутые образцы обычно лучше тех, что образуются посредством стандартного химического отслаивания.
– Осаждение
Уголь разогревают в специальной печи под низким давлением до температуры тысяча градусов. Затем сквозь печь пропускают метан и водород, вследствие чего атомы метана оседают на закаленном угле и формируется графен. Размеры получаемых таким способом образцов не очень значительны, но их вполне можно применять при создании разнообразных миниатюрных датчиков и сенсоров.
– Карбид кремния
Маленький кусок карбида кремния кладут в коробочку с небольшим отверстием, которую заполняют аргоном или просто выкачивают из нее весь воздух. Далее коробку нагревают до высоких температур, и в результате сложных химических процессов формируется графеновый лист.
Перспективы графена
Разнообразные эксперименты с графеном чрезвычайно популярны у исследователей в последнее время – ежегодно выходят в свет тысячи научных работ и публикаций, посвященных этой тематике. Область применения графена чрезвычайно обширна. Но, конечно, в первую очередь графен рассматривается как замена кремнию в микроэлектронике. Он обладает прекрасной совместимостью с другими материалами (с тем же кремнием), поэтому может применяться и при создании гибридных устройств. Высокая подвижность электронов и другие уникальные физико-химические свойства графена делают его практически идеальным материалом для создания миниатюрных, быстрых и производительных транзисторов – фундамента микроэлектроники.
Тут его превосходство перед обычным кремнием, использующимся в современных компьютерах и мобильных гаджетах, очевидно. Транзисторы на графене теоретически должны работать на очень высоких частотах. Вдобавок, размеры таких транзисторов будут меньше обычных, а значит в одном устройстве можно будет разместить большее их количество. Все это приведет к значительному повышению производительности и мощности электронных устройств.
Также к преимуществам графена, с точки зрения применения в микроэлектронике, стоит отнести то, что он, в отличие от кремния, выделяет очень мало тепла. В теории графеновые транзисторы должны будут функционировать на терагерцовых диапазонах. В то время как кремний уже безнадежно «застрял» на гигагерцах. Поэтому графен способен обеспечить настоящую революцию. Этот материал будет задействован везде, где необходима компактная и мощная электронная начинка.
Помимо транзисторов и всех других элементов электронных систем, графен может находить применение в самых разных областях. Например, использоваться для создания высокочувствительных сенсоров для фото- и видеокамер. Графен способен решить извечную проблему современного фото- и видеооборудования – невысокое качество съемки в условиях недостаточного освещения. Использование датчиков на основе графена может увеличить чувствительность сенсоров к свету в сотни раз, при этом будут задействоваться гораздо меньшие объемы электроэнергии. Благодаря этому можно будет получать очень качественные и детализированные снимки в условиях дефицита света. Графен может использоваться не только в обычных бытовых камерах, но и в приборах ночного видения, инфракрасных камерах и аппаратах спутников, делающих детализированные фотографии земной поверхности. Графен также можно применять в биомедицине. В частности, на его основе были проведены исследования по определению последовательности нуклеотидов в генах.
В завершение, справедливости ради, нужно рассказать и о проблемах, препятствующих так называемой графеновой революции. Основная трудность состоит в том, чтобы получать графен большой площади с заданными высоко-химическими характеристиками в промышленных масштабах. Пока с помощью промышленных методов производства удается получить небольшие по своим размерам листы графена. К тому же, промышленный графен зачастую проигрывает по своим свойствам тому, что исследователи получают в своих научных лабораториях. Ведь в лабораториях образцы графена добывают практически ручными способами. Достичь аналогичных характеристик при использовании промышленных средств пока не удается, несмотря на постоянное совершенствование технологий.
Впрочем, эти трудности, судя по всему, вполне преодолимы. Достаточно сказать о том, что южнокорейская компания Samsung в этом году уже публично объявила о начале производства графена в промышленных масштабах. Материал будет применяться для создания гибких и очень тонких гаджетов. Правда, пока производство графеновых чипов получается достаточно дорогостоящим, но в будущем Samsung обещает удешевить его.
Уже известно достаточно материалов, способных заменить кремний в микроэлектронике. Но самым перспективным и интересным из них является графен. Поле для применения этого уникального материала поистине велико. Графеновые транзисторы могут стать реальной заменой традиционным кремниевым и обеспечить огромный прорыв в вычислительных мощностях на десятилетия вперед.
