Учёный-исследователь, химик и нанотехнолог
33,8
рейтинг
14 января 2014 в 03:02

This is Science: Графен – жизнь или смерть?


Под конец 2013 года вышли в свет две примечательные статьи. Одна посвящена созданию резонатора или генератора опорной частоты на базе графена, а вторая – ревью по настоящему и будущему графена. Так что же ждёт графен в будущем – жизнь и расцвет углеродной электроники или смерть и забвение?


Механический осциллятор на основе графена


Переход к полностью углеродной электронике потребует создания не только транзисторов, резисторов и конденсаторов, но также осцилляторов и резонаторов, преобразующих постоянный ток в периодический сигнал. Именно они обеспечивают так называемый “clocking” или опорную частоту в микросхемах, а также ответственны за тайминг в телекоммуникациях. Соответственно, без этого миниатюрного устройства невозможно представить себе ни флеш-память, ни мобильного телефона, ни современного телевизора.

Наиболее точными являются резонаторы на базе пластин, вырезанных из монокристаллического кварца вдоль особых плоскостей, а если точность не так важна, то их заменяют резонаторами на основе керамики, например, PZT. Однако, к глубокому сожалению всех инженеров мира, данная деталь является чуть ли не основным камнем преткновения на пути уменьшения размеров электронных устройств.

И вот тут на помощь приходят нано- и микро-электромеханические устройства (NEMS и MEMS), идеологию которых учёные из Колумбийского университета совместно с коллегами из Кореи использовали при разработке графенового NEMS резонатора. Но не простой, а ещё и способный перестраивать рабочую частоту в пределах 14% при изменении приложенного напряжения.


a. Упрощённая схема созданного резонатора (на вставке SEM-микрофотография устройства). b. Спектр передачи для разомкнутой цепи (S21): амплитуда (зелёный) и фаза (красный). c. Выходной спектр мощности для созданного графенового резонатора


Изменение частоты резонатора при изменении Vg

А в качестве подтверждения практической значимости своего изобретения исследователи собрали небольшой FM-радиопередатчик, используя описанный выше графеновый осциллятор, после чего получили и декодировали сигнал небезызвестной песни PSY (Корейцы, что с них взять-то?!). Прослушать получившуюся запись можно на сайте Nature или скачать здесь.


Радиостанция на основе графена. a. Электрическая схема. b и c – переданный и полученный сигналы, соответственно

Статья опубликована в журнале Nature Nanotechnology 17 ноября 2013 года.

Каково будущее графена?


Впечатляющая статья?! Безусловно! Ведь с момента открытия этого чудного материала и десятилетия не прошло, а создан процессор и резонатор, ёмкости на основе различных углеродных материалов. Кремний научились печатать на полимерах. И вот кажется, что счастье есть. Есть смелые проекты, которые получают престижные дизайнерские премии Red Dot Design Awards Winner за накопители-стикеры из графена. А в Европе сходят с ума от одного упоминания этих волшебных букв – graphene.

Подобная ситуация уже была в науке лет эдак 30 назад, когда была открыта и обоснована высокотемпературная сверхпроводимость. Казалось бы: ещё чуть-чуть, найти правильный состав, и вот оно – решение проблем человечества в плане передачи электричества на тысячелетия. Десятки тысяч учёных переключились на поиски тех самых оксидных соединений, миллионы долларов, марок и франков (да-да, евро тогда ещё и в помине не было) полились на учёных, но…

Реальность оказалась суровее, и особого прогресса не вышло, всё застопорилось на температурах порядка 180-190 К да и то под давлением. Хотя, справедливости ради, стоит отметить, что в ЦЕРНе используются сверхпроводящие магниты, в многих госпиталях проводится магнитная томография, даже поезда стали летать, левитируя, но думаю, что это лишь малая часть того, о чём мечтали люди, работавшие со сверхпроводниками.

В конце 2013 году стартовал европейский мега-проект – Graphene Flagship, в рамках которого планируется потратить 1 миллиард евро только «государственных» средств в течение 10 лет, а ведь ещё будут и частные инвестиции. И да, Nokia и многие европейские гиганты тоже в деле!

Но не окажется ли этот проект такой же гонкой научного тщеславия, как 3 десятилетия назад случилось со сверхпроводимостью?

В этой связи мне очень импонирует ревью, написанное Марком Пепловым (Mark Peplow) и опубликованное в Nature буквально через пару дней после выхода статьи о графеновом резонаторе.

Позволю кратко изложить его суть. Графен – отличный материал. С одной стороны он эластичный, то есть гнётся. Свёрнутый в трубочку графен – углеродная нанотрубка, диаметр которой может варьироваться от 1.5 нм до сотен нм. При этом графен «сильный», как Superman и трудолюбивый, как муравей, он способен выдерживать огромнейшие нагрузки (расчётная прочность на разрыв ~1000 ГПа).

Графен с одной стороны имеет фактически нулевую запрещённую зону и очень лёгкие электроны и дырки, что делает его идеальным проводником, способным проводить сигналы быстрее, чем любой другой материал на планете, но это же и является его основным недостатком. Как остановить ток? Ведь вся электроника работает на принципе on/off (ток течёт/ток заблокирован). То есть необходимо искусственно создавать эту самую запрещённую зону, или изменить парадигму: вместо on/off электроники будет электроника, управляемая напряжением, или другими словами, некий аналог аналоговой электроники (простите за каламбур).



С другой стороны он прозрачен, то есть просто идеален как замена ITO в современных дисплеях. Однако двумерные системы сами по себе не устойчивы. Таким образом, проблема создания идеально ровного графенового покрытия на какой-либо поверхности – тяжелейшая научно-техническая задача.


Складки графена. Источник

И получается, что пока графен хоть и представляется суперменом с большой буквой G вместо S, мы не можем внедрить его в производство из-за Джокера, прячущегося за его спиной. В подтверждение этого, автор ревью приводит следующее высказывание Тима Харпера (Tim Harper) из компании Cientifica, занимающейся внедрением новых технологий: «Никто не будет просто так гробить кремний, если не будет действительно веских причин сделать это». Последнее означает, что пока ресурс кремния, как платформы для создания микроэлектронных устройств не будет выработан более, чем на 146%, мы не увидим перехода к эре углерода.

Именно поэтому первый этап реализуемой программы будет направлен на поиск и создание прототипов устройств на базе графена, которые, по всей видимости, обязательно включат в себя описанные выше резонаторы, различные сенсоры (а ведь даже сенсор магнитных полей был создан на основе графена).

Что ж, мы живём сейчас в эпоху великих свершений, которые могут коренным образом изменить нашу жизнь! Посмотрим, что преподнесёт нам 2014.



PS: Успешного Нового Года, Хабровчане!

PPS: Для страждущих окунуться в мир двумерных материалов для электроники есть ещё одна статья-обзор.



Полный список опубликованных статей This is Science на GeekTimes:
This is Science: Простая и дешёвая солнечная энергетика
This is Science: Графен – жизнь или смерть?
This is Science: Вдувай и получай электроэнергию
This is Science: Кремниевая электроника: согни меня полностью!
This is Science: Эластичный дисплей на квантовых точках
This is Science: Поставить трибоэлектричество на службу человечеству
This is Science: 3D оптическая печать переезжает на микроуровень
This is Science: Что внутри нейроморфного чипа?
This is Science: Новости с графеновых полей
This is Science: 3D электронная литография в массы
This is Science: Разряд щелочных батареек или почему батарейка подпрыгивает
This is Science: микропушки и наноядра
This is Science: носимая электроника и трибоэлектричество. Часть 1
This is Science: носимая электроника и трибоэлектричество. Часть 2
Евгений @Tiberius
карма
589,5
рейтинг 33,8
Учёный-исследователь, химик и нанотехнолог
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (43)

  • +6
    Я не понимаю, зачем они стремятся заменить ВСЕ кремниевые устройства? Почему нельзя делать из графена то, что из графена получается лучше.

    А то какой-то юношеский максимализм получается: или мы делаем из графена всё, или не делаем ничего.
    • +7
      Такова идея полностью углеродной (лёгкой, компактной, гибкой, возможно, дешёвой) электроники. Тем более, что на данном этапе развития науки и технологий, к учёным пришло понимание, что нельзя просто так взять и заменить кремний на углерод, так как нужно менять парадигму/подход к построение интергральных микросхем. Иными словами: либо полностью углеродное, либо никак…

      Эх, если бы можно было научится делать всё на одном листе графен, то за счёт много слойности компоновки целый смартфон был бы не толще пары листов бумаги, гибкий и небьющийся… Но как говорится, мечты-мечты!;)
      • +16
        Годика через 3 вместе посмеемся над последним абзацем этого комментария :)
        • +70
          Лет через 10 посмеемся над прогнозом в три годика в этом комментарии.
          • 0
            Поживём — увидим!
          • +27
            Лет через 50 ваш бывший смартфон посмеется над вами и уйдет к микроволновке!
        • +1
          Если хабр будет жить в ближайшие 10-20 лет (а я не сомневаюсь в этом) будет очень интересно собирать статистику по самым разным футурологическим предсказаниям. Биткоины, смартфоны, космические программы и т.д.
          Вот бы было классно иметь возможность группировать своё «избранное» как блокноты в Evernote…
          Может разработчики Хабра услышат )
          • 0
            Добавляйте в избранное;)

            Разработчикам Хабра лучше писать отдельно, а не надеятся, что они читают прям все при все комментарии…
      • +10
        Как бы потом только себе руки не изрезать таким смартфоном).
        • +1
          Это ладно, главное его не вдохнуть.
      • +3


        был в хорошем настроении и не удержался. извините если что :)
        • +1
          То же не смог удержаться
    • +4
      Вот именно. Полевые транзисторы поначалу лишь в некоторых областях применения заменяли традиционные биполярные. Микросхемы технологии КМОП были дорогими, медленными, ненадежными, чувствительными к статическому электричеству и применялись только там, где требовалось сверхнизкое энергопотребление. А сегодня на КМОП делаются почти все цифровые микросхемы.

      Также и другие «нетрадиционные» полупроводники вроде GaAs — они применяются в своих специфических областях. Современная электроника состоит из многих элементов таблицы Менделеева, не только из кремния.
      • –2
        Да, тут сложно не согласиться, но если мы научились делать хотя бы SoC решения на основе кремния — это был огромный скачок вперёд.
      • +1
        КМОП пара технологичней — её проще сделать. Что касается энергопотребления, то на СВЧ они жрут и греются похлеще биполярников.
    • +3
      Это не максимализм, а погоня за технологичностью.
      Одно дело, когда все компоненты микросхемы производятся в едином технологическом цикле, как в случае с КМОП, другое — если придется отдельно формировать и соединять разнородные структуры, цена таких изделий может нивелировать плюсы графена.
    • +1
      Попробовать все — это значит обозначить круг возможного применения.
      И совсем не обязательно, что не найдется еще одного нового материала, выполняющего некоторые функции еще лучше.
      • 0
        Абсолютно совершенно (с)
        Но графен выбран именно из-за таких уникальных свойств. Да, есть дилемма, что я описал в статье: делать пооевые транзисторы или придумать новый уклад, если хотите, в микроэлектроннике.
    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • +2
    Все-таки собрали они передатчик. А уж приемником — приняли FM сигнал с него.
    • 0
      Да, Вы, пожалуй, правы — запереводился…
  • +9
    Нагнетание истерии. А вдруг не выйдет? А вдруг всё зря? Исследования в любом случае надо проводить, а там видно будет, какие результаты. Левитирующие поезда, как по мне, ничего так результат. Пока, правда, не повсеместный.
    • +15
      > Нагнетание истерии
      Вся современная наука существует благодаря такой вот «истерии». Ученому чтобы получить грант надо сделать два кульбита через голову и насочинять с три короба всяких «чудес». Лет 8 назад в одной лаборатории РАН занимающейся уже тогда «перспективными» «нанотехнологиями» — мне объясняли старшие товарищи главный принцип всех этих инвестиций в науку. Пишешь заявку на грант с кучей воды, обещаний, перспектив и прочего буллшита. Параллельно пишешь заранее доклад в котором объясняешь почему серебряной пули не вышло, но зато есть куча профита в смежных областях и тут опять куча воды и всякий непонятный буллшит.
      Ну а как только деньги выделены, то сидишь и занимаешься нормальной наукой, без буллшита, если получится что то необычное или сверхординарное то сжигаешь второй доклад и пишешь новый с фанфарами, в противном же случае у тебя есть чем прикрыть тыл.
      В науке нужны как лохматые гении с безумными глазами, так и шоумены как остап бендер для общения с прессой инвесторами и обычным людом.
      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • +16
    Если будет интересно продолжить в том же ключе, то я, пожалуй, расскажу о современных достижения в области микро-волоконной оптики для передачи сигналов внутри компьютера и попытках создать вычислительные устройства не на электронах, а на фотонах.
  • –4
    Мне одному показалось, что на заглавной фото Леня Голубков?:)
    • +1
      Когда кажется — лучше всё-таки креститься, а с рыцарями Её Королевского Величества шутки плохи…
  • 0
    А какая нестабильность частоты у полученного графенового генератора? Ходил по ссылкам, через поисковик искал, не нашёл. Это же ключевой параметр для генератора.
    По графену с одной стороны всё замечательно: потрясные теплопроводность, подвижность основных носителей зарядов, механическая прочность, но из-за отсутствия запрещённой зоны вентиль не получится. Грубо говоря, парадигма цифровой микроэлектроники строится на односторонней проводимости. Если возможен полевой эффект, то тут напрашивается МДП-транзистор, но он будет нормально открытым. И пока не встречал пока публикаций о возможности эффекта Шоттки на контакте с другим материалом, тоже возможное решение.
    • 0
      На счёт полевого транзистора — откопал в старых запасах, принцип работы (почему всё-таки возможен on/off эффект) можно глянуть тут. Потенциально графен может изменять ширину запрещённой зоны обратно пропорционально ширине греновой ленты.

      PS: нестабильность пока несколько хуже, чем у PZT, но, полагаю, это связано с чистотой самого графена…
      • 0
        Мысль такая: на таких размерах возможно проявление интересных моментов в структурах металл1-диэлектрик-металл2 — это к тому что исселедователи может ещё обратят свои взоры от экзотического графена на отработанные материалы. По крайней мере металлы давно хорошо «пылят», отжигают, легируют.
        Весь этот перфоманс с графеном чем-то напоминает стародавние мыканья со сверхпроводниками. Каких-только надумок не было… И где оно всё? Единственное что могу припомнить — переключатели тока крайнего гигагерцового диаппазона и даже работающие на них АЦП и микро ЦПУ. Но этот авангард сугубо специфического применения.
        • 0
          А поподробнее про «интересные» эффект в металл-диэлектрик-металл и какие размеры… Ну хоть намекните, что ли, так как то, что удалось нагуглить относится больше к терагерцовой экзотике и плазмонному резонансу, т.е. больше к оптике, чем к электронике.
          • 0
            Про «интересные» эффекты в металл-диэлектрик-металл даже не намекну видем принудиловку по ТВ, там что-то болтали нанотехнологичное, а двумерное олово уже изучают.
            • 0
              Ну Вы же сами понимаете, что по ТВ могут болтать всякое и про Петриков тоже…
  • 0
    господа, а можно ли как-нибудь заюзать графен для накапливания заряда? я имею в виду замену допотопных li-ion, которые тормозят целые отрасли.
    • 0
      Вот например, пожалуйста… Статья, конечно, но попытки в это направлении предпринимаются.

      Или имеется ввиду чистый графен?

      PS: а допотопный Li-Ion разве не заменили Li-Pol уже лет 7 как, м?!
    • +3
      Допотопный li-ion? К хорошему быстро привыкаешь, да.
      • 0
        Ну как бы разработка 90-х. В этих батарейках так долго всё внедряется в жизнь. Как специально.
        • 0
          Не хочу показаться занудой, но с тех пор от кобальтита лития отказались в пользу других «вкусных» материалов, полимеров и т.д.
          Кстати, есть такой природный минерал оливин (LiFePO4), у которого фантастическая ёмкость по литию, но он не проводящий. А вот если научиться делать нанокристаллы оливина на подложке из графена, то это будет самый мощный АКБ…

          PS: Да, забыл сказать, от лития не откажатся, так как у него самый положительный ред/окс потенциал среди всех элементов (+3.7 V)
  • +2
    Еще один аргумент в пользу перехода на самосинхронную логику ;-).
    • 0
      Эхх… А вот для сеня самосинхронка это как для неандертальца айфон. Понимаю что очень круто, но как им пользоваться или куда применить — вообще никак не догоняю…
      Если ее таки повсеместно внедрят — самоубийств среди программистов будет больше чем среди брокеров на уолл стрит во времена кризиса.
      • +2
        Простым программистам, если они не делают sleep через пустой цикл, это не страшно.
        Трудно будет разработчикам процессоров и САПРов для микроэлектроники — им придется переучиваться и многое переделывать.

        Самосинхронные микросхемы не требуют кварцевого генератора, надежнее, меньше потребляют энергии. Но больше (по числу транзисторов примерно в 2 раза, но не требуют clock tree, которая может занимать до половины площади кристалла), дороже в разработке и сложнее в тестировании. По производительности бывает по разному.
  • 0
    Добавлю ещё и ссылку на дургой обзор, посвящённый альтернативным материалам для 2D-электроники.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.