Mokslo ir technologijų pasaulis

Kai silicio pagrindu veikiančių įrenginių gamyba artėja prie fizikinės ribos, daugelis mokslininkų mano, kad grafenas gali tapti naująja medžiaga, kuri leis puslaidininkių pramonei tęsti savo žygį link mažesnių ir greitesnių įrenginių. Šis puslaidininkių pramonės progresas yra nusakomas visiems gerai žinomu Mūro dėsniu. Grafenas, manoma, atvers kelią naujos kartos įrenginiams, kuriuose bus išnaudojamos visos jo unikalios savybės. Nors grafenas matyt niekada nepakeis silicio kasdieniniuose elektroniniuose prietaisuose, tačiau jis gali būti pradėtas naudoti didelio našumo įrenginiuose.

Elektronikai reikalinga nauja medžiaga, nes silicis nebegali daugiau būti „mažinamas“. Manoma, kad po dešimties metų daugiau nebebus fizinių galimybių mažinti silicį naudojančių įrenginių dydį. Tai reiškia, kad reikės arba keisti patį įrenginių tipą, arba naudojamą medžiagą.

Fizika yra tokia, kad mažinant įrenginių dydį didėja silicio varža. Tai sukuria daugiau šilumos, kuri nebegali būti lengvai išsklaidoma, ir sunaudojamas didesnis energijos kiekis. Grafenas nepasižymi tokiais apribojimais. Grafene elektronų mobilumas yra užtikrinamas daugiau kaip šimtą kartų geriau, nei tai daro silicis.

Nuo 2001 metų Džordžijos Technologijos Institutas (Georgia Institute of Technology) tapo pasauliniu lyderiu kuriant epitaksinį grafeną, t. y. kurį galima auginti ant didelių plokščių ir atkurti pagal šabloną vėlesniam panaudojimui elektronikoje. Neseniai instituto mokslininkai atspausdino straipsnį Nature Nanotechnology žurnale, kuriame aprašė savo pasiekimą. Jie patalpino dešimt tūkstančių tranzistorių 0,24 kvadratinių centimetrų plote. Tai iki šiol didžiausias pasiekimas grafeną naudojančiuose prietaisuose. Vykdant eksperimentą, jiems teko pasinaudoti nauja technologija, kuri leido išauginti sudėtingas grafeno struktūras ant silicio karbido plokštelių. Būtent ši technologija ir buvo sprendimas vienai svarbiausių problemų, su kuria iki šiol susidurdavo grafenu paremta elektronika.

„Tai didelis žingsnis link elektroninių prietaisų gamybos,“ - pasakė Voltas de Heras (Walt de Heer), kuris yra Džordžijos Technologijos Instituto Fizikos mokyklos profesorius. Jis buvo vienas pirmųjų, kurie vystė ir naudojo grafeną aukštų technologijų elektronikoje. „Tai kitas mūsų žingsnis, rodantis, kad mūsų panaudota technologija yra teisinga – kai epitaksinis grafenas auginamas ant silicio karbido. Tikriausiai ši technologija ir bus pritaikyta gaminant grafeno elektroniką.“

De Herui grafeno tyrimas prasidėjo nuo anglies nanovamzdelių, plonų cilindrinių darinių, kurie atrodė esantys iš stebuklų pasaulio, kai pirmą kartą buvo atrasti 1991 metais. De Heras buvo vienas pirmųjų, kuris susižavėjo unikaliomis nanovamzdelių savybėmis. Ypatingas anglies atomų išsidėstymas medžiagoje leido mokslininkams tikėtis, kad ši medžiaga bus bazė naujos kartos elektronikos prietaisams. Tačiau bandymai panaudoti nanovamzdelius tūrinėse medžiagose nebuvo sėkmingi. De Heras anksti suprato, kad grafeno savybes lemia būtent gardelė, kuriama anglies atomų. Todėl ir kilo idėja gardelę auginti ant plokščio paviršiaus bei panaudoti tas pačias gamybos technologijas, kurios pasiteisino mikroelektronikoje, turint tikslą kurti elektronikos įrenginius tokiais pačiais metodais.

Kaitindami silicio karbidą (plačiai naudojamą medžiagą elektronikoje), de Heras su kolegomis pašalino silicio atomus iš paviršiaus, palikdami tik anglies gardelę plonuose grafeno sluoksniuose. Grafeno sluoksniai buvo pakankamai dideli, kad būtų galima gaminti elektroninius įrenginius. Šie darbai tapo baze patentui, užregistruotam 2003 metais. Grupės tyrimais susidomėjo ir finansiškai rėmė Intelio kompanija.

Nuo to laiko de Heras atspausdino tuziną straipsnių. Kitos tyrėjų grupės irgi pradėjo nagrinėti grafeną. Nors mokslininkai vis dar kaupia žinias apie epitaksinį grafeną, kompanijos, tokios kaip IBM, pradėjo savo epitaksinio grafeno tyrimų programas.

Vyksta labai intensyvios lenktynės ieškant komercinių grafeno pritaikymo galimybių. Didelės pastangos su labai gerais finansavimais dedamos JAV, Europoje, Japonijoje ir Singapūre. Po to kai mokslininkų grupė iš Jungtinės Karalystės gavo Nobelio premiją, naujienų skaičius apie grafeno tyrimus sparčiai išaugo.

„Mūsų epitaksinis grafenas yra dabar naudojamas visame pasaulyje daugelyje mokslinių laboratorijų,“ - pasakė de Heras. „Mes, turbūt, esame stadijoje, kurioje buvo silicis 1950-taisiais metais. Tai pradžia kažko, kas išaugs į labai didelį ir svarbų.“

„Mes praktiškai sukūrėme visą schemą, kaip gaminti elektroniką iš grafeno,“ - pasakė de Heras. „Mes nustatėme pagrindines žaidimo taisykles, kaip, mūsų nuomone, tai veiks, ir mes turime svarbiausius patentus savo rankose.“

Nors grafenas ir gali būti auginamas bei gaminamas panaudojant panašias technologijas kaip tai daroma su siliciu, bet jis nėra lengvai suderinamas su siliciu. Tai reiškia, kad kompanijos, planuojančios jį naudoti, turi statyti naujas gamybos linijas ir tai bus didžiulės investicijos. Pramonė pereis į naują grafeno pasaulį. Šią naują pramoninę revoliuciją galima būtų palyginti su aviacijos atsiradimo aušra, kai garo laivai ir traukiniai vaidino svarbiausią vaidmenį žmonių pervežime. Buvo aišku, kad aviacija pakeis laivus ir traukinius pasiūlydama aukščiausios klasės keleivių aptarnavimą. Nors kelionės lėktuvais ir daugiau kainavo, keleiviai buvo pasiryžę mokėti daugiau už didesnį greitį.

„Kurį laiką mes stebėsime abiejų technologijų egzistavimą vienu metu,“ - prognozavo de Heras. „Per ateinančius dešimt metų mes, matyt, pamatysime tikrus komercinius prietaisus, padarytus grafeno pagrindu.“

De Heras mano, kad silicis, žinoma, niekur nedings. Jis bus naudojamas pigiuose produktuose, tokiuose kaip iPodai, personaliniai kompiuteriai ir panašiai. Grafenas bus naudojamas vykdant tokias užduotis, kurios, priešingu atveju, nebūtų atliktos.