אלקטרוניקה גרפין - נס המאה ה -21

המאמר מתאר את סיכויי השימוש בגרנות ופחמן צינורות במיקרואלקטרוניקה.

כשהוא מקשיב לוויכוחים המחשבים של פקידי ממשל על הצורך בפיתוח ננו-טכנולוגיה, מתפלא באופן לא רצוני על חוסר העקביות במעשיהם: כספים שלא ניתן להשוות עם תקציב המדע מוקצים להגנה. יתרה מזאת, כעת הכסף שהושקע במחקר מדעי יאפשר לא רק לשנות באופן קיצוני את חייהם של אנשים, אלא גם להתקרב לפיתרון בעיית האלמוות האנושית.

אם כבר מדברים על ננו-טכנולוגיה, קחו לראשכם בראש גילוי של צינורות גרפין ופחמן. יחד איתם מדענים מקשרים פריצת דרך בתחום האלקטרוניקה והפרמקולוגיה במאה ה -21. יצירת מחשבים קוונטיים, מערכות קריאת אות ברמה הסלולרית, ננו-רובוטים לטיפול בגוף - זו רק רשימה קטנה של הזדמנויות שנפתחות. כעת ההזדמנויות הללו עברו מתחום הפנטזיה לתחום פיתוח המעבדה.

נושא מיוחד הוא מיקרואלקטרוניקה. מעבדי מיקרו ומעבדי זיכרון מודרניים כבר מתגברים על ערך התקנים הטכנולוגיים של 10 ננומטר. קו קדימה 4-6 ננומטר. אך ככל שהמפתחים עוברים בנתיב המזעור, כך יש לפתור את המשימות קשות יותר. המהנדסים התקרבו לגבולות הפיזיים של שבבי סיליקון. מי שמעוניין במעבדי מיקרו מודרניים יודע כי מהירותם מואט בתדר שעון של כ -4 ג'יגה הרץ ואינו עולה עוד יותר.

הסיליקון הוא חומר מצוין למיקרואלקטרוניקה, אך יש לו חיסרון משמעותי - מוליכות תרמית לקויה. ועם עלייה בתדירות השעון וצפיפות האלמנטים, החיסרון הזה הופך למכשול להתפתחות נוספת של המיקרואלקטרוניקה.

למרבה המזל, כיום יש הזדמנות אמיתית להשתמש בחומרים אלטרנטיביים. זה כן גרפן, צורה דו ממדית של צינורות פחמן וננו צינורותשהם צורה גבישית תלת מימדית של אותו פחמן. תוצאות המחקר הראשונות הובילו ליצירת טרנזיסטורים גרפןפועל בתדרים של עד 300 ג'יגה הרץ. יתר על כן, טיפוסי הטיפוס שמרו על מאפייניהם בטמפרטורות של 125 מעלות צלזיוס.

היסטוריה של גילוי נס הגרפן

אנו מציירים ללא אנוש את קירות החדרים בילדות המוקדמת בעיפרון פשוט, לא חשדנו כי אנו עוסקים במדע רציני - ייצרנו ניסויי גרפן. התלהטות מהורים שלא העריכו את ערכם המדעי של ניסויים הפנו רבים מהמדע, אך לא את כולם. בשנת 2010 זכו שני רוסים, עובד אוניברסיטת מנצ'סטר (בריטניה) אנדריי גיים ומדען מצ'רנוגולובקה (רוסיה) קונסטנטין נובוסלצב, בפרס נובל על גילוי הגרפן, שינוי גבישי חדש של פחמן, שכבה אטומית אחת בעובי.

אז מה היה הכשרון של מדענים ומשמעות הגילוי? ראשית, נעסוק בנושא הגילוי. גרפן הוא משטח דו ממדי גבישי (לא סרט!) שכבה אטומית שכבה אחת או שתיים. הדבר המעניין ביותר הוא שגרפן תיאורטי "נוצר" על ידי פיסיקאים תיאורטיים לפני יותר מ -60 שנה כדי לתאר מבני פחמן תלת ממדי. המודל המתמטי של סריג דו ממדי תיאר בצורה מושלמת את התכונות התרמופיזיות של גרפיט ושינוי פחמן תלת ממדי אחרים.

אך ניסיונות רבים ליצור גבישים פחמניים דו מימדיים הסתיימו בכישלון. השירות "הדובי" בחיפושים אלה ניתן על ידי תיאורטיקנים שהוכיחו באופן מתמטי את חוסר האפשרות לקיים משטחים גבישיים. היה קשה שלא להאמין להם: אחרי הכל, היו אלה ליאו לנדאו ופיארלס - הפיזיקאים התיאורטיים הגדולים ביותר של המאה העשרים.

הם טענו טיעונים מתמטיים בלתי ניתנים להכחשה כי מבנים גבישיים שטוחים רגילים אינם יציבים, מכיוון בגלל תנודות תרמיות, האטומים עוזבים את צמתים של גבישים כאלה והסדר מופרע. המצב הוחמיר מהעובדה שבניסויים אמיתיים, החישובים התיאורטיים של מדענים קיבלו אישור מלא. הרעיון של סינתזת גרפן ננטש במשך זמן רב.

ורק בשנת 2004 המדענים הצליחו להשיג, והכי חשוב, להוכיח שגרפן הוא מציאות. כדי להשיג גרפן, נעשה שימוש בטכניקה מיוחדת של מחשוף כימי של מטוסים גבישיים גרפיט. תהליכים דומים מתרחשים בעת ציור בעיפרון על משטחים מחוספסים, אך הדרישות לתנאי פילינג של דגימות מחמירות לאין ערוך.

הקושי השני היה הוכחת קיומו של מבנה גרפן. כיצד ניתן להתבונן במשטח בעובי שכבה אטומית אחת? מחברי התגלית אומרים כי אם הם לא היו יכולים למצוא דרך להתבונן בגרפן, הם לא היו מתגלים עד היום.

הטכניקה הגאונית לתצפית על גרפן הייתה ליצור משטח גבישי דו ממדי על מצע תחמוצת סיליקון. ואז נצפה גרפן תחת מיקרוסקופ אופטי קונבנציונאלי. סריג גביש הגרפן הנכון יצר דפוס התערבות אשר נצפה על ידי החוקרים.

סיכויים ליישום מעשי של גרפן

גילוי הגרפן גרם לתגובה דומה לפצצה מתפוצצת. לאחר עשרות שנים של אמון מלא שאין שינוי דו מימדי של הפחמן, פתאום התברר שבעזרת תהליכים פשוטים למדי ניתן להשיג אותו בכמויות בלתי מוגבלות. אבל למה?

העובדה היא ששינוי כזה של פחמן הוא בעל תכונות שלרוב מאופקים על ידי מדענים מעניקות לכינויים פנטסטיות, נפלאות, ייחודיות. ואפשר לסמוך עליהם. מאות יישומים של חומר זה מוצעים היום, וכל שבוע מופיע מידע על תכונות חדשות של גרפן.

אפילו רשימה קצרה היא מרשימה: מיקרו-שבבים בצפיפות של יותר מעשרה מיליארד טרנזיסטורים להשפעת שטח לסנטימטר רבוע, מחשבים קוונטיים, חיישנים בגודל של כמה ננומטר הם רק באלקטרוניקה. וגם סוללות נטענות בעלות קיבולת פנטסטית, מסנני מים הלוכדים כל זיהום ועוד ועוד.

התכונות המיוחדות של גרפן מאפשרות לא רק להסיר יעילות חום, אלא גם להמיר אותו בחזרה לאנרגיה חשמלית. בהתחשב בכך שלסריג הגרפן (המטוס) יש עובי של שכבה אטומית אחת, קל לחזות כי צפיפות האלמנט בשבב תגדל בצורה חדה ויכולה להגיע ל 10 מיליארד טרנזיסטור לסנטימטר רבוע. כבר היום יישם טרנזיסטורים גרפינים ומעגלי מיקרו, מערבלים תדרים, מודולטורים הפועלים בתדרים מעל 10 ג'יגה הרץ.

היזמים אינם פחות אופטימיים לגבי השימוש בצינורות פחמן במיקרואלקטרוניקה. בהתבסס עליהם, מבנים טרנזיסטורים כבר יושמו ולאחרונה, מומחים של יבמ הדגימו מעגל מיקרו שעליו נוצרו 10 אלף צינורות.

כמובן שחומרי פחמן אינם יכולים להחליף מייד סיליקון במיקרואלקטרוניקה. אך יצירת מעגלי מיקרו היברידיים, המנצלים את שני החומרים, נמצאת כבר ברמה המסחרית. היום לא רחוק בו יופיעו מעבדי מיקרו במכשיר נייד רגיל שכוח המחשוב שלו יחרוג מביצועיהם של מחשבי-על מודרניים.

אל תחשוב שכל היישומים הללו הם עניין של העתיד הרחוק. ענקיות התעשייה האלקטרונית - יבמ, סמסונג ומעבדות מחקר מסחריות רבות הצטרפו למירוץ ליישום מעשי של תגלית מדעית. לדברי מומחים, בעשור הבא גרפן יהפוך לחומר מוכר. ואיזו בדיחה לפיה יש לשנות את שמם של עמק הסיליקון בקליפורניה לגרפיט.