На саміті Global Semiconductor Alliance з'ясувалося, що виробники ІС сумніваються щодо подальших шляхів вдосконалення технологій мікроелектронного виробництва.
Повернуту продукцію не завжди слід відправляти на утилізацію. Багато деталей можна використовувати повторно, або перепродати продукт після необхідної доробки. Це дозволить не тільки скоротити витрати, але і отримати додатковий прибуток.
Навколишній світ прискорено наповнюється різними пристроями з численними мережевими функціями, які постійно розширюються. Маркетологи придумали нову назву для новинок - «інтернет-речі».
Графен у всіх на слуху, проте не всі чітко уявляють собі, що це за матеріал і як він застосовується в даний час.
даному огляді, що не претендує на всеосяжність цій бурхливо розвивається зараз теми, представлена інформація про цей матеріал і областях його застосування.
Шар графіту товщиною в один атом має низку цінних властивостей: відрізняється високою стабільністю, в т.ч. і при кімнатній температурі, а також високою тепло- і електропровідністю. Рухливість електронів в графені в 10-20 разів вище, ніж в арсеніді галію. З цього матеріалу можна створювати чіпи, придатні для роботи на терагерцових частотах. Хоча моношарів графіту мають таку ж рухливістю носіїв зарядів при кімнатній температурі, як і нанотрубки, однак для нього, в загальному випадку, може бути застосована звичайна, відпрацьована роками планарная технологія. До того ж, завдяки двовимірній структурі керуючий струм може бути легко збільшений за рахунок зміни ширини провідного каналу.
Проводнікіліполупроводнік?
На шляху створення графеновой електроніки залишається ще багато перешкод, в т.ч. неможливість вирощування великих графенових пластин, висока вартість матеріалу і труднощі з управлінням його провідність. Зокрема, ще недостатньо розроблені способи отримання напівпровідників з графена - до сих пір графен і його похідні відомі тільки у вигляді провідників та ізоляторів.
Нещодавно було отримано напівпровідниковий матеріал на основі графену. в якому атоми кисню укладені в гексагональну структуру графена. За задумом дослідників, в ході нагрівання оксиду графену в вакуумі повинен був виділитися кисень і вийти багатошаровий графен. Однак при підвищенні температури атоми вуглецю і кисню стали вибудовуватися в впорядковану структуру моноокиси графена, неіснуючого в природному вигляді.
Ісследователідемонстріруютатомнуюструктурумоноокісіграфена
Раніше було відкрито інше цікаве властивість графена, яке полягає в тому, що визначальну роль у формуванні властивостей графена грає матеріал, на якому він вирощується. Зокрема, якщо підкладку, на якій буде вирощена структура, активувати киснем, то отриманий лист графену буде мати властивості напівпровідника, якщо воднем - то властивостями металу. «Варіюючи хімічний склад підкладки, ми можемо керувати природою графена, наділяючи його властивостями напівпровідника або металу», - повідомив Сарож Наяк (Saroj Nayak), професор кафедри фізики та астрономії Ренсселарского політехнічного інституту.
Управління струмом у графені: нітрид бору може статтю ключем до графеновой мікроелектроніці
Графен - найтонший у світі матеріал. Майже єдиним на сьогоднішній день принциповою перешкодою для його застосування є неможливість керування електронним потоком по графену. Наприклад, до цих пір не вдалося знайти спосіб зупинити потік в графені: на атомарному рівні працюють закони квантової механіки, які сильно відрізняються від тих, що діють на макрорівні. Електрони в шарі графена проходять крізь перешкоди (т. Н. Тунельний ефект, застосовуваний також в деяких радіоелектронних приладах), а не відскакують від них, як це відбувається в макросвіті. Нещодавно було виявлено, що при накладенні шару графену на шар нітриду бору виникає нова гексагональная структура, яка визначає шлях проходження електронів за зразком.
Цей факт може стати ключем до створення нового типу електронних пристроїв, що відрізняються малим розміром і низьким енергоспоживанням. Через цю особливість контролювати поширення електронів по шару дуже складно. Недавні дослідження показали, що при накладенні плівки нітриду бору на шар графена вдається затримати деякі електрони. Це перший крок на шляху вирішення проблеми.
Нітрид бору має схожу з графеном структуру, однак є діелектриком. Плівки з нітриду бору можна використовувати також для поліпшення електричних властивостей графена. Вони запобігають флуктуації електричного заряду.
Формірованіегексагональнойструктурипріналоженіінітрідаборанаграфен
Якщо міняти кут між кристалічними гратами, кількість електронів, які не можуть проходити крізь ґрати, збільшується. Коефіцієнт затримання залежить від розміру гексагонального малюнка, який виникає при кутовому зміщенні одного з шарів (аналогічний ефект - виникнення муарового малюнка при накладенні лінійчатих структур). По суті, цей малюнок є картою електричного потенціалу.
В даний час йде процес вивчення різних графенових структур за допомогою скануючого тунельного мікроскопа, який дозволяє отримати зображення сверхрешетки і виміряти її розмір. Якщо гексагональний малюнок занадто дрібний, зразок відбраковують. Приблизно 10-20% зразків показують бажаний ефект. Якщо цей процес вдасться автоматизувати, буде створена графенову мікроелектроніка.
Псевдомагнітниесвойстваграфена
Група фізиків з Університету в Арканзасі веде розробки в дещо іншому ключі. Вони пропонують управляти потоком електронів за допомогою зміни механічної напруги в матеріалі.
Було помічено. що якщо прикласти до графеновой плівці механічне зусилля, її електричні властивості зміняться так, як ніби матеріал помістили в магнітне поле. Щоб використовувати дане властивість, необхідно навчитися контролювати механічне напруження.
Дослідники з Університету в Арканзасі провели наступний експеримент. Вони натягнули графенові мембрани на тонкі квадратні рамки і просканували поверхню графена тунельним мікроскопом за допомогою постійного струму. У сканирующем тунельному мікроскопі для створення карти рельєфу поверхні використовується електричний струм дуже малої величини. Щоб підтримувати струм на постійному рівні в процесі сканування рельєфу поверхні, мікроскоп даного типу змінює напругу на кінчику тунельного зонда, коли він пересувається вгору-вниз. Було відмічено, що при цьому форма мембрани також змінювалася - мембрана вигиналася і прагнула наблизитися до щупа. Форма мембрани змінювалася залежно від заряду між щупом і мембраною. Змінюючи напругу на щупі, можна управляти механічною напругою мембрани.
Всвободномсостоянііграфеновиемембраниімеютбугрістуюформу.Етоявляетсяпрепятствіемдляіхпрімененіявелектроннихустройствах, посколькунаізломахпроводімостьмембранирезкопадает.
Для більш повного розуміння цієї властивості було проведено дослідження теоретичної системи, що містить графенові мембрани. Вчені зіставили величину механічної напруги і розрахували розташування щупа мікроскопа щодо мембрани. Виявилося, що взаємодія між мембраною і щупом залежить від розташування щупа. За цими даними можна розрахувати псевдо-магнітне поле для заданої напруги і механічного зусилля.
Через те, що мембрана обмежена квадратної рамкою, напруженість поля змінюється з позитивної на негативну. Для створення неосціллірующего поля потрібно виготовити трикутну осередок. Можливо, саме вона дозволить знайти спосіб керувати псевдомагнітнимі властивостями графена.
Прімерипрімененіяграфена
В даний час в області застосування графена ведуться розробки в таких напрямках:
Високочастотниетранзістори. Рухливість електронів в графені набагато більше, ніж в кремнії, тому цифрові елементи з графена забезпечують більш високу частоту роботи. Деякі компанії вже заявляли про успіхи в цій галузі. Так, транзистори IBM працюють на частоті 26 ГГц і мають розмір близько 240 нм. Оскільки між розмірами транзистора і його продуктивністю існує зворотна залежність, збільшення робочої частоти досягається за рахунок зменшення його розмірів.
Строеніеграфеновоготранзістора
Мікросхеми пам'яті. Прототип нового типу пристрою, що запам'ятовує складається всього з 10 атомів графена. Під час лабораторних тестів групі професора Джеймса Тура з американського Університету Райс вдалося створити кремнієві модулі, на яких були розміщені 10 атомарних шарів графена. В результаті графеновий шар отримав товщину близько 5 нм. Дослідники говорять, що в нових експериментальних модулях базові осередки зберігання інформації приблизно в 40 разів менше осередків, які використовуються в найсучасніших 20-нм модулях NAND-пам'яті. Дана технологія потенційно здатна у багато разів збільшити ємність модулів пам'яті. Крім того, дані, що запам'ятовують пристрої здатні витримувати сильне радіаційне випромінювання і температуру до 200 ° C, зберігаючи всю інформацію.
Ще одна перевага розробки полягає у безпрецедентній економічності витрати енергії. Для зберігання даних модулі пам'яті використовують два вихідних стану - нейтральне (вимкнений) і заряджене (включене). Для того, щоб закодувати 1 біт інформації в графенових модулях потрібно в мільйон разів менше енергії, ніж для кодування того ж біта в кремнієвих чіпах.
Електродидлясуперконденсаторов. Провідність графенових електродів перевищує 1700 См / м, тоді як у електродів на активованому вугіллі вона становить лише 10-100 См / м. Завдяки високій механічній міцності LSG-електроди можуть використовуватися в суперконденсаторах без сполучних елементів або струмоприймачів, що спрощує конструкцію і знижує собівартість виготовлення суперконденсаторів.
Пристрої, виготовлені з використанням гравірованих лазером графенових електродів, характеризуються дуже високою щільністю енергії в різних електролітах, високою щільністю потужності і поцікловой стабільністю. Більш того, ці суперконденсатори зберігають відмінні електрохімічні властивості при великих механічних навантаженнях, завдяки чому їх можна буде застосовувати в потужних і гнучких електронних пристроях.
Недорогіедісплеідляпортатівнихустройств.Графен можна використовувати замість ITO (оксиду індію-олова) в електродах для OLED-дисплеїв. По-перше, це дозволяє знизити вартість дисплея, а по-друге, спрощує його утилізацію за рахунок виходу з обігу металевих елементів.
Дисплей, ізготовленнийспрімененіемграфена
Крім того, було встановлено. що графен пропускає до 98% світла. Це значно вище показника пропускання кращих матеріалів з ITO (82-85%). Графен має високу електропровідність, що дозволяє використовувати його для створення прозорих електродів, які керують поляризацією і станом рідких кристалів.
Інша група дослідників недавно встановила. що кілька шарів графена, нагріті при температурі 300-400 ° C в присутності порошкового хлориду заліза (FeCl3) призводить до інтеркаляції шарів графену і хлориду заліза. Електрони з хлориду заліза збільшують число носіїв заряду в шарах графена, а результаті чого поверхневий опір шару падає до 8,8 Ом на квадрат при видимої прозорості матеріалу 84%. Новий матеріал має гарну довготривалу і температурну стабільність і у багато разів краще за характеристиками, ніж порівнянні шари ITO: при тому ж поверхневому опорі останній має прозорість лише 75%, а при тій же прозорості - опір в 40 Ом на квадрат.
Гібкоепрозрачноеустройствоотображенія (дісплейспечатнойплатой) стане можливим ізготовітьнаосновеграфена.
Аккумуляторидляавтомобілейнаводородномтопліве. За допомогою графенових плівок можна збільшити енергію зв'язку атомів вуглецю. Це дозволить збільшити ємність, або зменшити вагу акумуляторів.
Датчікідлядіагностікізаболеваній. В основі роботи цих датчиків лежить той факт, що молекули, чутливі до деяких хвороб, приєднуються до атомів вуглецю в графенових шарі. У датчику використовується графен, молекули ДНК і флуоресцентні молекули. Флуоресцентні молекули з'єднуються з одиночної ДНК, яка в свою чергу зв'язується з графеном. Коли інша одиночна молекула ДНК зв'язується з ДНК, приєднаної до шару графену, і формується подвійна ДНК, яка вільно пересувається по графену, збільшуючи рівень випромінювання.
ПрінціпраспознаваніяповрежденнихДНК
Охлажденіеелектроннихсхем. Нещодавно створений композитний матеріал на основі графену і міді знайшов застосування в якості найбільш ефективного і недорогих засоби охолоджування електронних пристроїв. Теплопровідність композиту становить 460 Вт / (м · K), тоді як у міді вона дорівнює 380 Вт / (м · K).
Композит осідає на охлаждаемую поверхню електрохімічним способом у вигляді плівки товщиною 200 мкм. Вже розроблена схема переоснащення обладнання для виготовлення мідно-графенового тепловідведення.
Елементисмалимудельнимвесомівисокойпрочностью. Додавання в епоксидний композит графена забезпечує більш високу питому міцність елементів, оскільки графен міцно зв'язується з молекулами полімерів.
Його творці, правда, не врахували, що на той час і одяг буде зроблена із застосуванням вуглеволокна і графена і буде виглядати зовсім по-іншому. )