Графен – заменитель кремния?
Как известно, все современные компьютерные и информационные технологии базируются на микропроцессорах – интегральных схемах, изготовленных, как правило, из кремния. Правда, существуют также микросхемы на основе других полупроводников (например, арсенида галлия) и даже диэлектриков (например, граната), однако безусловным лидером в этой сфере сегодня является кремний. Столь широкое применение именно этого элемента объясняется, прежде всего, тем, что электронщики научились изменять его электрические свойства в очень широких пределах. Для этого используются различные технологические приёмы – такие как введение примесей или целенаправленное создание определённых дефектов в кристаллической структуре. Правда, долгое время учёным никак не удавалось привести кристаллы кремния в состояние сверхпроводимости, однако чуть больше года назад группа французских исследователей сумела преодолеть и этот барьер.
Но если использование сверхпроводящего кремния в микроэлектронике – дело отдалённого будущего, то открытие углеродного наноматериала под названием «графен» может уже в ближайшее время дать мощный импульс развитию так называемой молекулярной электроники и даже потеснить кремний.
Как известно, углерод встречается в природе в различных аллотропных формах – в виде алмаза, карбина, графита, фуллеренов и нанотрубок, – и каждая из этих модификаций имеет свои особые свойства. Что такое алмаз, уголь и графит, известно всем, поэтому напомню лишь, что карбин – это линейный полимер углерода, молекулы которого представляют собой длинные тонкие цепочки из углеродных атомов, фуллерены – полые молекулы, имеющие форму выпуклого замкнутого многогранника и состоящие из большого – до 560-ти – числа атомов углерода, а нанотрубки – также состоящие из атомов углерода вытянутые полые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон. Графен же – это, собственно говоря, плёнка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру. Таким образом, графен можно считать развёрнутой в плоскость одностенной нанотрубкой, или двухмерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоёв, составляющих кристалл графита. Собственно, именно так этот новый наноматериал и был впервые получен группой британских, американских и российских физиков во главе с профессором Андре Геймом (Andre Geim) из Манчестерского университета: учёные провели мягким графитовым карандашом по бумаге, затем «промокнули» её клейкой лентой – наподобие того, как это делают криминалисты, снимающие отпечатки пальцев с обнаруженной на месте преступления бутылки...
Первые сообщения профессора Гейма о том, что ему действительно удалось отделить от кристалла графита один атомарный слой, были встречены весьма сдержанно.
Никто нам не верил. Мы посылали статьи и в «Nature», и в «Applied Physics Letters», но никто не хотел их публиковать. А многие коллеги из тех, кому было поручено проверить результаты наших работы, даже не скрывали недоверия. Сегодня все они часто наведываются ко мне, чтобы поподробнее разузнать о технологии получения нового материала – как наиболее эффективно расслоить графит, чтобы получить самый тонкий их всех возможных – атомарный – слой углерода.
Коллега Андре Гейма – Уолт де Хир (Walt de Heer), профессор физического факультета Технологического института в Атланте, штат Джорджия, – также преисполнен оптимизма. Он уверен, что это открытие имеет большое будущее – прежде всего, потому, что дальнейшие действия в отношении графена легко распланировать:
Я полагаю, что это совершенно невозможно с углеродными нанотрубками. А здесь ситуация совершенно иная. Мы сегодня уже точно знаем, как получить те или иные графеновые структуры и как совершенствовать эту технологию.
Это тем более примечательное заявление, что сам профессор де Хир долгие годы изучал именно нанотрубки. Теперь же он считает, что в сфере наноэлектроники у них очень мало шансов. Правда, ему и его коллегам удалось создать на основе сверхпроводящих нанотрубок миниатюрные быстродействующие транзисторы, но каждый раз это была, так сказать, «сложная и трудоёмкая ручная работа». Совсем иное дело – графен, – говорит профессор де Хир:
Промышленность проявляет к нашим работам колоссальный интерес, потому что они открывают путь к новой молекулярной электронике. До сих пор было очень трудно создать схему, в которой функцию переключателей выполняли бы отдельные молекулы: уж очень плохо они сочетаются с металлическими проводниками. А графен имеет структуру, сходную со структурой таких молекул-переключателей.
Такая вера учёных в будущий успех и интерес со стороны промышленности тем более удивительны, что графен был открыт совсем недавно, всего 4 года назад. Всё дело в том, что слой графита толщиной в один атом обладает, как оказалось, рядом ценных, а порой и весьма необычных свойств. Представьте себе материал в миллион раз тоньше листа писчей бумаги. Это немыслимо тонкая плёнка – собственно, тоньше и быть не может. Казалось бы, она должна быть крайне непрочной. Ничего подобного, напротив! Гексагональная кристаллическая структура – своего рода плоские пчелиные соты из атомов углерода – придаёт этому материалу гибкость, прочность, эластичность, а главное – высокую стабильность, в том числе и при комнатной температуре. Кроме того, графен обладает высокой тепло- и электропроводностью. Это последнее свойство делает графен особенно привлекательным материалом для электронной отрасли, – говорит профессор Гейм:
Для полупроводниковой промышленности очень важно иметь материалы, в которых носители электрического заряда могли бы передвигаться без помех. Ведь повсюду, где электроны рассеиваются на кристаллической решётке и отклоняются от прямого пути, выделяется тепло. Эти потери в конечном счёте и ограничивает рабочую частоту электронных компонентов. В самом распространённом полупроводниковом материале – кремние – электроны могут передвигаться относительно свободно. Однако у арсенида галлия, к примеру, этот показатель в 6 раз выше. Поэтому в мобильных телефонах и приёмниках спутниковых сигналов, как правило, используются микропроцессоры на основе арсенида галлия.
Главный параметр, определяющий это свойство, именуется подвижностью электронов. Эта величина показывает, насколько свободно носители заряда могут передвигаться внутри материала. Она представляет собой отношение скорости направленного потока электронов проводимости, вызванного внешним электрическим полем, к напряжённости этого поля. То, что в графене подвижность электронов исключительно высока, стало ясно сразу же после его открытия: профессор Гейм уже тогда отмечал, что в этом материале электроны преодолевают расстояния, в тысячи раз превышающие межатомные, и при этом не рассеиваются и вообще практически не реагируют на внешнюю среду. Однако произвести точные измерения учёным некоторое время не удавалось, поэтому рекордсменами в этой дисциплине продолжали считаться углеродные нанотрубки и полупроводниковое соединение антимонид индия. И вот теперь профессор Гейм опубликовал данные своих новых экспериментов, из которых следует, что по подвижности электронов графен превосходит все известные на сегодняшний день твёрдые вещества. Учёный поясняет:
В графене подвижность электронов в 10-20 раз выше, чем в арсениде галлия, который применяется довольно широко именно потому, что характеризуется высокой подвижностью носителей заряда. Это значительный качественный скачок, который открывает новые перспективы в разработке более быстрых электронных компонентов. Сегодняшние компьютеры на кремниевых или арсенид-галлиевых микропроцессорах работают с тактовой частотой, измеряемой в мегагерцах и гигагерцах. Графен же позволит создать чипы, пригодные для терагерцовых, то есть в 1000 раз более высоких частот.
В традиционных материалах подвижность электронов уменьшается по мере того, как проводник становится тоньше. То, что это правило неприменимо к графену, объясняется, видимо, его структурой, а конкретно – исключительно равномерным распределением атомов углерода в двухмерной кристаллической решётке, – полагает профессор Гейм:
Многие исследователи занимаются изучением электронных свойств графена. Были произведены теоретические расчёты и на их основе сделаны прогнозы, согласно которым графен должен был даже обладать бесконечно большой подвижностью электронов. Наши исследования показывают, что верхний предел подвижности электронов всё же существует, однако он чрезвычайно высок.
Впрочем, профессор Гейм всё же сомневается в том, что микропроцессоры на основе графена когда-либо найдут широкое применение в обычных домашних компьютерах. Во-первых, до сих пор не разработана эффективная технология, которая позволила бы наладить массовое промышленное производство соответствующих графитовых плёнок толщиной в один атом. Во-вторых, первые прототипы графеновых транзисторов оказались слишком медленными, чтобы составить серьёзную конкуренцию традиционной кремниевой электронике:
Некоторые специалисты настроены очень оптимистично: они твёрдо уверены в том, что когда-нибудь графен придёт на смену кремнию в полупроводниковой отрасли и полностью его вытеснит. Я отношусь к подобным прогнозам более скептически. Но даже если это и произойдёт, то очень нескоро – лет через 20, не раньше!
В то же время профессор Гейм полагает, что в высокочувствительных сенсорах для химического анализа жидкостей и газов графен может найти применение уже лет через 5, а возможно, даже раньше. Более того, работа над созданием электропроводящих покрытий для дисплеев мобильных телефонов и элементов солнечных батарей ведётся уже сегодня. Так что триумфальное шествие графена, видимо, всё же состоится, и ждать его осталось не так уж долго. В этом уверен и ещё один из первооткрывателей графена – Константин Новосёлов из Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов в подмосковной Черноголовке. По его словам, хотя многие необычные свойства графена будут востребованы лишь в отдалённой перспективе, сверхбыстрые транзисторы, микромеханические устройства и наносенсоры на основе графена появятся уже через несколько лет.
А теперь – совсем другая тема. Попытки противостоять глобальному изменению климата, ограничивая выбросы в атмосферу парниковых газов, разрабатывая энергосберегающие технологии или развивая альтернативную энергетику на базе возобновляемых ресурсов, кажутся некоторым учёным недостаточно эффективными. А потому они предлагают более радикальные рецепты. В частности, не кто иной как Пауль Крутцен (Paul Crutzen), нидерландский метеоролог, разработавший теорию «ядерной зимы» и удостоенный в 1995-м году Нобелевской премии по химии за изучение озонового слоя в стратосфере Земли, выступил чуть больше года назад с сенсационной идеей: он предложил создать в атмосфере нашей планеты искусственный щит из мелкодисперсных серосодержащих частиц наподобие тех, что выбрасываются при извержении вулканов. Такой щит отражал бы часть энергии солнечного излучения и тем самым противодействовал глобальному потеплению. Теперь группа немецких и американских учёных проанализировала потенциальные последствия такой затеи. Рольф Мюллер (Rolf Müller), научный сотрудник Исследовательского центра в Юлихе, говорит:
Это миллионы тонн серы, которые пришлось бы распылять. Поэтому условия, возникшие в результате извержения Пинатубо, вулкана на Филиппинах, могут служить нам естественной лабораторией, позволяющей понять, что может произойти, если мы надумаем всё это проделать ещё раз, но уже искусственно.
Извержение считавшегося потухшим вулкана Пинатубо летом 1991-го года считается самым сильным в ХХ веке. Оно сопровождалось мощнейшим выбросом аэрозолей в стратосферу, который повлиял на климат всей планеты, вызвав понижение средней температуры на 0,5 градуса. Теперь Рольф Мюллер и его коллеги ещё раз проанализировали собранную тогда информацию и нашли незамеченные ранее эффекты:
Новые данные свидетельствуют о том, что мы явно недооценивали влияние сульфатных аэрозолей на процесс разрушения озонового слоя.
Хотя сами по себе частицы сульфатного аэрозоля озон не разрушают, на их поверхности протекает ряд химических реакций, в результате которых становятся более активными содержащиеся в стратосфере хлор, бром и прочие компоненты тех самых фреонов, которые сегодня запрещены, а ещё недавно производились в огромных количествах. Получается, что реализация проекта Крутцена может привести к возникновению и над Северным полюсом такой же озоновой дыры, какая уже давно существует над Южным. А вот над Южным полюсом ситуация по сравнению с сегодняшней не ухудшится – по той простой причине, что хуже некуда:
Это верно, что сегодня в Антарктике на высоте от 15-ти до 20-ти километров озона вообще не осталось. Там разрушаться уже нечему.
Но это сегодня. Если же иметь в виду перспективу постепенного улучшения ситуации вследствие отказа человечества от фреонов, то эффект, вызванный реализацией проекта Крутцена, будет очень даже заметен и в Антарктике, – полагает Рольф Мюллер:
Улучшение замедлится. Оно наступит на 30-70 лет позже, чем в случае, если никакого выброса сульфатов в атмосферу не будет.
Возникает вопрос, не наносит ли это удар по репутации нобелевского лауреата Крутцена? Рольф Мюллер отвечает уклончиво:
Сегодня мы видим свою задачу не в поиске аргументов за или против, а в том, чтобы заложить прочную научную базу, на основе которой можно решать, стоит ли вообще рассматривать проекты такого рода.
Похоже, всё же не стоит. Разве что глобальное изменение климата примет такие масштабы и вызовет столь катастрофические последствия, что по сравнению с ними утрата озонового слоя покажется меньшим злом.