Неизвестный карандаш

Україна Киевская обл. Киев

Неизвестный карандаш

Графен, одна из форм углерода, выделенная только в 2004 г., в ближайшем будущем может вытеснить кремний из электронной промышленности. Найдут ему применение и в медицине, и в сфере безопасности, и в астрономии. До недавнего времени были известны так называемые трехмерные его формы — алмаз и графит, одномерные — нанотрубки и нульмерные — фуллерены (их открыли несколько десятилетий назад). В этой последовательной цепи не хватало двумерной формы углерода — графена.

В 2004 году исследователи из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов после длительных опытов все-таки сумели его получить. Графен самый тонкий материал известный человечеству, толщиной всего в атом углерода. Как обычно, все гениальное просто. Для выделения этого материала ученые использовали обычную ленту скотч. С ее помощью они последовательно отделили тонкие слои графена от обычного кристаллического графита - знакомого каждому карандашного стержня. В итоге графеновый лист можно рассмотреть в хороший оптический микроскоп. И это при толщине в несколько ангстрем.

Графен. Прочнее не бывает

В результате более подробных исследований нового материала открылись широкие перспективы для его использования. Сотрудники Колумбийского университета Джеффри Кайсар и Джеймс Хоун сумели измерить прочность графена на атомарном уровне. Оказалось, что по этому показателю он превосходит все известные науке вещества. Для проведения замеров ученым пришлось высверлить в кремниевой пластине отверстия диаметром 1 микрометр и поместить на них фрагменты графена с идеальной структурой, а затем попробовать «пробить» их с помощью острой алмазной иглы. Ранее провести такой опыт было невозможно: для чистоты эксперимента необходимо получить графен с правильной структурой, содержащей все атомы и связи между ними. По словам Хоуна, этот опыт можно сравнить с попыткой проткнуть пластиковую крышечку на стаканчике с колой с помощью остро заточенного стержня. Если бы крышечка была сделана из идеального графена, она смогла бы выдержать вес установленного на стержень автомобиля. «Теоретически мы уже знали, что графен является прочнейшим в мире материалом, но теперь это доказано практически», - говорит Константин Новоселов из Манчестерского университета. Сверхпрочность графена может быть использована при создании сверхбыстрых микропроцессоров для суперкомпьютеров. Отличные свойства вещества, как проводника для производства транзисторов не являются единственно важными. Огромное значение имеют также его прочность и способность выдерживать высокие температуры в экстремальном рабочем режиме. Ведь именно ограниченная термоустойчивость и низкая механическая прочность материалов являются препятствием на пути создания сверхбыстрых микропроцессоров.

Необычные электронные свойства графена делают его еще более многообещающим кандидатом для применения в будущей микроэлектронике. Подвижность электронов, которая легко достигается даже при современной технологии, на порядок выше чем в кремниевых транзисторах. И она продолжает расти по мере улучшения качества образцов. Электроны в графене движутся со скоростью 106 м/с., что значительно превышает скорость электронов в обычном проводнике.

Графеновые транзисторы

На основе атомарных слоев графена предполагается создать новый тип электронных элементов и, соответственно, схем размером в считанные нанометры. Главная изюминка этой идеи: для обработки информации в новых схемах будут использованы электроны, но не в качестве частиц (электрический ток), как в кремниевой электронике, а в ипостаси волн (поверхностные волны плотности, дифракции и т. д.). Уолт де Хиир говорит, что логические схемы на основе графена можно производить используя стандартные методы микроэлектронной промышленности, например электроннолучевую литографию. Ученые уже построили полевой транзистор полностью из графена и устройство, управляющее электронными волнами в материале.

Медицине он тоже пригодится

Есть еще одно свойство графена, которое можно использовать в медицине, астрономии, биологии а также в сфере безопасности. Это способность генерировать излучение в терагерцевом диапазоне. Это излучение проникает через многие материалы (кроме металлов), поэтому может использоваться для контроля содержимого багажа в аэропортах. В медицине его можно использовать для обнаружения раковых опухолей на ранних стадиях. Астрономы тоже интересуются терагерцевым излучением, так как оно входит в космический фон, образовавшийся в результате Большого Взрыва.

Продолжает удивлять

Физики предполагали, что графен может очень хорошо проводить тепло, потому что углеродные нанотрубки, которые, по сути, являются свернутым графеном, обладают хорошей теплопроводностью. Теплопроводность графена оказалась невероятно высокой - при комнатной температуре самое высокое значение для твердых тел — на 50% выше, чем у нанотрубок и более чем в 10 раз выше, чем у меди и алюминия.

Перспектива для ЖК- дисплея

Графен помимо рекордных показателей тепло- и электропроводности продемонстрировал и замечательные оптические свойства. Ученые установили, что графен пропускает до 98% света, что открывает возможность использования графена в создании различных оптоэлектронных устройств, в первую очередь в жидкокристаллических дисплеях. Лучшие материалы, используемые сегодня — оксид индия пропускает 82 — 85% света. Т. к. графен обладает высокой электропроводностью то существует возможность его в качестве прозрачных электродов, управляющих поляризацией и состоянием жидких кристаллов. У нового вещества есть и другие преимущества перед оксидом индия. Во-первых , индия в скором времени может просто не остаться — это очень редкий, а значит и дорогой элемент. Во-вторых, его соединение с кислородом не слишком стабильно. Графен же недорог и очень стабилен.

Уже сегодня в дело

Есть ряд областей, где графен может быть использован уже сегодня. Одна из них — газовые датчики. Графен абсорбирует молекулы газа из окружающей среды, которые образуют примеси в слое этого вещества. Следя за изменениями сопротивления, можно в считанные минуты определить концентрации газов. Так уже создан «нанонос», который определяет более 1000 запахов.

Другая перспектива - использование графенового порошка в электрических батареях. Графен рассматривается и как важная составляющая в некоторых композитных материалах, в частности, в электропроводящих пластиках.

Так или иначе, но уникальные свойства графена обеспечат внимание к нему ученых и разработчиков не на один десяток лет и, возможно, вскоре он начнет вытеснять кремний из электронной промышленности. Но для этого следует построить немало теорий и провести не один десяток экспериментов.

 

Теги: Микроэлектроника, Наука, Технологии