Eletrônica de grafeno - milagre do século XXI

O artigo descreve as perspectivas para o uso de grafeno e nanotubos de carbono em microeletrônica.

Ouvindo os argumentos ponderados dos funcionários do governo sobre a necessidade de desenvolver nanotecnologia, involuntariamente se surpreende com a inconsistência de suas ações: fundos incomparáveis ​​com o orçamento da ciência são alocados para defesa. Além disso, agora o dinheiro investido em pesquisas científicas permitirá não apenas mudar radicalmente a vida das pessoas, mas também chegar perto de resolver o problema da imortalidade humana.

Falando em nanotecnologia, primeiro vem à mente descoberta de grafeno e nanotubos de carbono. É com eles que os cientistas associam uma inovação no campo da eletrônica e da farmacologia no século XXI. A criação de computadores quânticos, sistemas de leitura de sinais no nível celular, nanorrobôs para o tratamento do corpo - essa é apenas uma pequena lista de oportunidades que se abrem. Agora, essas oportunidades passaram do campo da fantasia para o campo do desenvolvimento de laboratório.

Um tópico especial é microeletrônica. Microprocessadores modernos e chips de memória já superam o valor dos padrões tecnológicos de 10 nanômetros. Linha anterior 4-6 nm. Porém, quanto mais os desenvolvedores avançam no caminho da miniaturização, mais difíceis as tarefas precisam ser resolvidas. Os engenheiros chegaram perto dos limites físicos dos chips de silício. Quem está interessado nos microprocessadores modernos sabe que sua velocidade é reduzida a uma frequência de clock de cerca de 4 GHz e não aumenta ainda mais.

O silício é um excelente material para microeletrônica, mas tem uma desvantagem significativa - baixa condutividade térmica. E com o aumento da frequência do relógio e da densidade dos elementos, essa desvantagem se torna uma barreira para o desenvolvimento futuro da microeletrônica.

Felizmente, hoje existe uma oportunidade real de usar materiais alternativos. É grafeno, forma bidimensional de carbono e nanotubos de carbonoque são uma forma cristalina tridimensional do mesmo carbono. Os primeiros resultados da pesquisa levaram à criação de transistores de grafenooperando em frequências de até 300 GHz. Além disso, os protótipos mantiveram suas características a temperaturas de 125 graus Celsius.

História da descoberta do milagre do grafeno

Pintando abnegadamente as paredes dos quartos na primeira infância com um simples lápis, não suspeitávamos estar envolvidos em uma ciência séria - produzimos experimentos de grafeno. Debater com pais que não apreciaram o valor científico dos experimentos afastou muitos da ciência, mas não todos. Em 2010, dois russos, um funcionário da Universidade de Manchester (Grã-Bretanha) Andrei Geim e um cientista de Chernogolovka (Rússia) Konstantin Novoseltsev receberam o Prêmio Nobel pela descoberta de grafeno, uma nova modificação cristalina de carbono, com uma camada atômica de espessura.

Então, qual era o mérito dos cientistas e o significado da descoberta? Para começar, trataremos do próprio assunto da descoberta. O grafeno é uma superfície bidimensional cristalina (não um filme!) Uma ou duas camadas atômicas de espessura. O mais interessante é que teoricamente o grafeno foi "criado" por físicos teóricos há mais de 60 anos para descrever estruturas tridimensionais de carbono. O modelo matemático de uma rede bidimensional descreveu perfeitamente as propriedades termofísicas da grafite e outras modificações tridimensionais de carbono.

Mas inúmeras tentativas de criar cristais de carbono bidimensionais terminaram em fracasso. O serviço “pessimista” nessas pesquisas foi fornecido por teóricos que matematicamente comprovaram a impossibilidade da existência de superfícies cristalinas. Era difícil não acreditar neles: afinal, eram Leo Landau e Peierls - os maiores físicos teóricos do século XX.

Eles fizeram argumentos matemáticos inegáveis ​​de que estruturas regulares de cristal plano são instáveis, porque devido a vibrações térmicas, os átomos deixam os nós de tais cristais e a ordem é perturbada. A situação foi agravada pelo fato de que, em experimentos reais, os cálculos teóricos dos cientistas receberam confirmação total. A idéia de sintetizar grafeno foi abandonada por um longo tempo.

E somente em 2004, os cientistas foram capazes de obter e, o mais importante, provar que o grafeno é uma realidade. Para obter grafeno, foi utilizada uma técnica especial de clivagem química de planos cristalinos de grafite. Processos semelhantes ocorrem ao desenhar a lápis em superfícies rugosas, mas os requisitos para as condições de esfoliação das amostras são imensuravelmente mais rigorosos.

A segunda dificuldade foi a prova da existência de uma estrutura de grafeno. Como se pode observar uma superfície com a espessura de uma camada atômica? Os autores da descoberta dizem que, se não encontrassem uma maneira de observar o grafeno, não teriam sido descobertos até hoje.

A técnica engenhosa para observar o grafeno era formar uma superfície cristalina bidimensional em um substrato de óxido de silício. E então o grafeno foi observado sob um microscópio óptico convencional. A treliça de cristal de grafeno correta criou um padrão de interferência, que foi observado pelos pesquisadores.

Perspectivas para a aplicação prática de grafeno

A descoberta do grafeno causou uma reação semelhante a uma bomba explodindo. Após décadas de plena confiança de que não há modificação bidimensional do carbono, de repente se descobriu que, com a ajuda de processos bastante simples, ele pode ser obtido em quantidades ilimitadas. Mas porque?

O fato é que essa modificação do carbono possui propriedades que, geralmente restringidas pelos cientistas, dão aos epítetos fantásticos, maravilhosos, únicos. E eles podem ser confiáveis. Hoje, centenas de aplicações deste material são oferecidas e todas as semanas aparecem informações sobre novos recursos do grafeno.

Até uma lista curta é impressionante: microchips com uma densidade de mais de 10 bilhões de transistores de efeito de campo por centímetro quadrado, computadores quânticos, sensores de alguns nanômetros de tamanho são apenas eletrônicos. E também baterias recarregáveis ​​de capacidade fantástica, filtros de água que retêm impurezas e muito mais.

As propriedades especiais do grafeno permitem não apenas remover o calor com eficiência, mas também convertê-lo novamente em energia elétrica. Dado que a rede de grafeno (plano) tem uma espessura de uma camada atômica, é fácil prever que a densidade do elemento no chip aumentará acentuadamente e pode atingir 10 bilhões de transistores por centímetro quadrado. Hoje já implementamos transistores e microcircuitos de grafeno, misturadores de frequência, moduladores que operam em frequências acima de 10 GHz.

Os desenvolvedores não são menos otimistas sobre o uso de nanotubos de carbono em microeletrônica. Com base nelas, as estruturas de transistor já foram implementadas e, recentemente, especialistas da IBM demonstraram um microcircuito no qual 10 mil nanotubos foram formados.

Obviamente, os materiais de carbono não podem substituir imediatamente o silício na microeletrônica. Mas a criação de microcircuitos híbridos, que aproveitam os dois materiais, já está no nível comercial. Não muito longe é o dia em que os microprocessadores aparecem em um dispositivo móvel comum, cujo poder de computação excederá o desempenho dos supercomputadores modernos.

Não pense que todos esses aplicativos são uma questão de futuro distante. Os gigantes da indústria eletrônica - IBM, Samsung e muitos laboratórios de pesquisa comercial se uniram à corrida pela implementação prática das descobertas científicas. Segundo especialistas, na próxima década, o grafeno se tornará material familiar. E algumas brincadeiras dizem que o Vale do Silício, na Califórnia, terá que ser renomeado para Grafite.