Графен разбит на лоскуты

Исследователям из Стенфордского университета удалось впервые показать пригодность графеновых материалов для создания сверхбыстрых процессоров для ЭВМ будущего. Первооткрывателем, в сущности, простого химического метода создания ультратонких графеновых полос стал профессор Хунцзе Дай. Это открытие должно еще более подогреть ажиотаж вокруг перспективного материала, уже всерьез заинтересовавшего специалистов из компаний-гигантов силиконовой индустрии – IBM, HP и Intel.
Статья о достижениях ученых принята к печати в журнале Science.

Графен – это материал, состоящий из атомов углерода, объединенных в двумерную (однослойную) упорядоченную по типу пчелиных сот структуру. Эти слои имеются и в более привычном простым смертным материале – графите, однако там они объединены в «пачке», наподобие пачек писчей бумаги, слабыми Ван-дер-Ваальсовыми межслоевыми взаимодействиями. Структура графена близка к структуре другой аллотропной модификации углерода – углеродным нанотрубкам, так же активно исследуемым в наши дни и рассматриваемым в качестве еще одного перспективного для микроэлектроники материала. И графен, и нанотрубки углерода отличаются чрезвычайно высокой электронной проводимостью, которая может обеспечить невообразимую скорость переключения элементарных логических элементов – транзисторов, построенных на их основе. Так, специалисты предсказывают скорость работы графеновых микрочипов, превышающую скорость работы современных кремниевых микропроцессоров в тысячи раз.

Однако графен обладает одним существенным недостатком в сравнении с кремнием, повсеместно применяемым в производстве микросхем.

Несмотря на то, что графеновые транзисторы могут переключаться между закрытым и открытым состоянием с невообразимой скоростью, разница в проводимости таких устройств в выключенном и включенном состоянии не слишком высока. Это значит, что в отличие от кремниевых транзисторов, не проводящих ток в запертом состоянии, графеновые все равно будут довольно хорошо проводить электричество. В таком случае микропроцессор, содержащий миллиарды графеновых транзисторов, будет отличаться колоссальными потерями энергии и будет попросту непригодным для практического применения.

Тем не менее, теоретические выкладки показывают, что, нарезав графеновый лист в длинные тонкие полосы, можно значительно повысить соотношение проводимости закрытого и открытого состояния транзисторов. Эти расчеты получили некое подтверждение в работах исследователей из IBM и Колумбийского университета, однако и им не удалось получить сколько-нибудь приемлемого соотношения проводимостей между включенным и выключенным состоянием.

Дай, как истинный химик, в своей работе решил отказаться от технологии нарезания тонких графеновых полос, пока еще мало эффективной и чрезвычайно дорогостоящей. Эта технология в наши дни построена по принципу копирования литографических подходов, повсеместно используемых в кремниевой индустрии, однако мало пригодных для отсекания отдельных атомов углерода от графенового полотна.

Дай обратился к привычным методам мокрой химии, и удача улыбнулась ему. В качестве исходного материала в своей методике он использовал хлопья графита, которые, как мы уже упоминали, состоят из сложенных в пачку графеновых листов. Затем он подверг их химическому воздействию серной и азотной кислот. В ходе этого процесса происходит внедрение (специалисты употребляют термин «интеркалация») молекул кислотных остатков в межслоевое пространство. Такая возможность внедрения посторонних молекул и атомов в структуру графита обусловлена довольно большим и, кроме того, варьируемым расстоянием между слоями в кристаллической структуре этого углеродного материала. Она используется, в частности, в производстве аккумуляторов для автономных электронных устройств.

В дальнейшем Дай подверг интеркалат (продукт интеркалации) быстрому нагреванию до очень высоких температур (500–700^oС), в ходе которого происходит стремительное испарение кислотных молекул, разрывающее хлопья графита на отдельные листы графена и расширяющее графит в сотни раз. Стоит отметить, что данная технология не нова, и терморасширенный таким образом графит широко используется в производстве огнеупорных красок и уплотнительных материалов.

Дай же далее в своей методике приготовил взвесь из разодранного на куски графита и подверг её воздействию ультразвука. Эти звуковые волны окончательно разъединяют графеновые листы, однако, как оказалось, на выходе получились не отдельные хлопья графена, но узкие и очень длинные графеновые полосы. Эти полосы различаются между собой по размерам и ширине, однако их края очень гладки, что означает возможность получения подходящих и воспроизводимых свойств построенных на базе этих лент транзисторов.

Как отмечает сам Дай, ему и в голову не могло прийти, что такие нехитрые манипуляции с графеном могут привести к получению уникальных углеродных образований – наиболее тонкие графеновые полосы, полученные Даем, имеют менее десяти нанометров в ширину, а длина их превышает несколько микрон.

Созданные же Даем на основе этих полос транзисторы продемонстрировали необычайно высокое соотношение проводимости между открытым и закрытым состоянием – более чем 100000/1 – весьма привлекательное для микроэлектронной промышленности. Прежние достижения с использованием графена не превышали 30/1.

Однако на пути создания процессоров для ЭВМ на основе транзисторов при помощи метода Дая стоит несколько серьезных препятствий. Во-первых, полученные ленты графена нуждаются в тщательной сортировке – слишком крупные объекты, равно как и бесформенные куски графена, должны быть удалены, а оставшиеся необходимо организовать в упорядоченную электрическую цепь.

Впрочем, ученые уже полны идей по решению описанных проблем. Так, Вальтер-де-Гир, профессор Технологического университета Джорджии, отмечает возможность присоединения к граням полос специфических функциональных молекулярных групп, способных направленно растащить сгрудившиеся углеродные заготовки в соответствующие позиции на подложке и сформировать замкнутую электрическую цепь.

Питер Эклунд, профессор Пенсильванского университета, в свою очередь, несколько развенчивает оптимизм ученых и настаивает на необходимости дальнейшего развития методик литографии и адаптации их к графеновой технологии. По его словам, только эти методы позволят надежно и воспроизводимо получать сложные структуры на основе графена.

Тем не менее, Эклунд не отрицает принципиальной важности работы Дая, впервые сумевшего показать свойства графенового материала, ранее предсказанные только на бумаге. По его мнению, данная работа спровоцирует еще больший интерес научного сообщества и неизбежно активизирует работы как в направлении доводки литографических методик получения комплексных структур, так и по химической модификации графеновых полос.