Диво з лінії олівця - фізика; Більше - FAZ
В електроніці сьогодні все дрібно, дуже дрібно. Отже, якщо матеріал збирається його революціонувати знову, як колись кремній, тоді він повинен мати особливо філігранні розміри - але не обов’язково в усіх трьох просторових напрямках. Цього може бути достатньо, якщо він у мільйон разів тонший за аркуш паперу. Подібно до форми вуглецю, яка, на відміну від графіту, складається не з багатьох паралельних шарів, а з одного шару атомів, зчеплених, як стільник. Дивно стійкий кристал називається графеном - з акцентом на закінченні.
Довгий час новий улюблений матеріал фізиків твердого тіла вважався суто теоретичною конструкцією. Вважалося, що коливання атомів один проти одного зруйнують таку мережу. Тож сюрприз був великим, коли Андре Гейм та Костя Новоселов представили невеликі графіки пластівців три роки тому. Фізикам з Манчестера вдалося виготовити його за допомогою досить приземленої техніки: за допомогою звичайної клейкої стрічки вони відшаровували шари крихітних кристалів графіту, як ті, що знайдені в кожному сліді олівця, товщиною в кілька атомних шарів. Вони притискали тромбоцити до основи з оксиду кремнію і повторювали процес, поки не були присутні окремі кристали графена.
Легкі хвилі в соти візерунком
Той факт, що двовимірні кристали не згортаються і не злипаються, як передбачається, завдяки світловим хвилям у звичайному стільниковому малюнку: стабілізуючі вм'ятини мають висоту лише нанометр і охоплюють близько ста атомів. Це нещодавно показали вимірювання в Інституті твердих тіл імені Макса Планка в Штутгарті.
Надзвичайні електронні властивості кристалів графена швидко викликали інтерес у напівпровідниковій промисловості. Тому що, хоча графен не є ні напівпровідником, ні металом, він надзвичайно добре проводить електрику та тепло. Це наслідок структури стільника: з чотирьох електронів, з якими кожен атом вуглецю міг би зв’язуватися назовні, у структурі стільника потрібні лише три. Четвертий може знаходитись де завгодно на рівні кристала і, разом із його особливостями, може ковзати майже безперешкодно від зіткнень з атомами решітки і транспортувати електричну енергію з невеликими втратами.
Тут графік стане в нагоді. Оскільки мініатюризація електронних компонентів, виготовлених з кремнію, досягне своїх фізичних меж у найближчому майбутньому. Тоді слід знайти новий матеріал, який дозволяє подальшу мініатюризацію елементів схеми. Графіки можуть бути відповідним кандидатом для цього.
Вузькі стрічки графена замість мідних ліній
Макс Лемме з Товариства прикладної мікро- та оптоелектроніки (AMO) досліджує в Аахені, наскільки графен придатний для використання в електронних компонентах. Його робоча група застосовує два підходи: з одного боку, вузькі смужки графена призначені для заміни мідних проводів на електронних компонентах, і вони вже досягли успіху у створенні свого першого транзистора. "Однак передумовою цього є те, що графен може вироблятися в достатній якості на великій площі, наприклад, використовуючи методи, подібні до тих, що застосовуються сьогодні для кремнію", - говорить Лемме. "Крім того, ви повинні мати можливість вирізати ці шари з точністю приблизно до п’яти нанометрів".
Сьогодні про це не може бути й мови, хоча численні дослідницькі групи працюють над розробкою надійних методів виробництва великих шарів графену. "Уже є багатообіцяючі процеси, - говорить Томас Сейлер з Університету Ерланген-Нюрнберг, - але вони все ще є предметом інтенсивних фундаментальних досліджень". Поки що фізикам довелося задовольнятися пластівцями розміром у кілька мікрометрів. "Цього достатньо для важливих на даний момент орієнтаційних експериментів", - говорить Генріх Курц, директор AMO. Що стосується великого виробництва для майбутніх додатків, то можна не турбуватися: "Якщо мікроелектронна технологія використовує там свою зброю, це також стане можливим", - говорить Курц.
Останні публікації не обмежуються лише мікроелектронікою, коли мова заходить про застосування графена: У березні цього року дослідники з Великобританії та США підрахували, що кристали графена згинають електронні хвилі в "неправильному" напрямку - подібно до того, що так звані метаматеріали роблять з електромагнітними хвилями Зробіть випромінювання. Це дозволило побудувати лінзи та роздільники пучка для електронних хвиль з хвилястої вуглецевої мембрани.
Ідеальні датчики для найменшої кількості газу?
Наприкінці липня вчені на чолі з Андре Геймом запропонували використовувати графен як високочутливий детектор для молекул газу. Їх вимірювання показали, що накопичення окремих молекул, таких як аміак або діоксид азоту, різко змінило провідність графена, так що можна було створити ідеальні датчики для найменшої кількості токсичних газів. Майже одночасно вчені з Іллінойсу презентували в природі виробництво папероподібних фольг з графену. На думку дослідників, надзвичайно стійкі до розривів і стійкі шари вуглецю можуть зміцнити полімери, метали або кераміку в композиційних матеріалах.
Зігмар Рот із Штутгартського інституту досліджень твердого тіла Макса Планка не вірить цим сенсаційним повідомленням: "Не дивно, що крихітна атомна решітка чутлива до контакту з окремими чужорідними молекулами". Крім того, графен занадто хімічно ворожий для склеювання, щоб мати можливість покращити такі властивості матеріалу, як міцність на розрив, коли він вкладений у пластик. Лемме також погоджується: "Щоб це працювало, спочатку вам доведеться хімічно модифікувати графік".
Ще немає наступника кремнію
Поки що зарано продавати графен як наступника кремнію в мікроелектроніці, каже Даніель Лосс з Базельського університету, але вказує на величезний прогрес, досягнутий у напівпровідниковій технології за останні десять років. Його ідеї щодо подальшого застосування графену йдуть набагато далі, ніж ідеї його колег: У майбутньому шари графена можуть лягти в основу квантового комп'ютера, в якому магнітні моменти електронів, що потрапили в так звані квантові точки, забезпечують носіями інформації.
Хвилясті кристали вуглецю матимуть особливу привабливість, навіть якби великі надії на різні сфери застосування не виправдались: оскільки носії заряду, які рухаються через графенову площину, підкоряються так званому рівнянню Дірака, яке описує квантові частинки, які майже такі ж швидкі, як світло. Це дивно, оскільки рівняння Шредінгера, яке справедливе лише для повільних квантів, зазвичай достатньо для умов у твердих тілах. Відповіді на фундаментальні питання фізики, які зараз шукають у прискорювачах великих частинок, можуть дрімати в тонких шарах вуглецю.