Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Tlenek krzemu przełamie barierę prawa Moore'a?
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Od dekad to krzem pozostaje głównym materiałem konstrukcyjnym elektroniki, mimo że jest to coraz trudniejsze, producenci coraz bardziej zwiększają gęstość upakowania krzemowych elementów, zachowując prawo Moore'a. Ale już niedługo zdolność krzemowej technologii do rozwoju skończy się nieodwracalnie: negatywne zjawiska towarzyszące miniaturyzacji zastopują ją najdalej za dziesięć lat, być może nawet wcześniej - z powodu wykładniczo rosnących kosztów wdrażania coraz precyzyjniejszych technologii.
Materiałem, w którym od lat upatruje się kandydata na następcę krzemu jest grafen. Niestety, ze względu na całkowicie odmienne właściwości (nie do końca przy tym poznane) nie da się go tak po prostu użyć w miejsce krzemu, konieczne jest opracowanie technologii dosłownie od zera. Chociaż więc po grafenie oczekuje się, że pozwoli na tworzenie układów scalonych mniejszych i szybszych, na razie gra toczy się nie o to, żeby zrobić lepiej, ale żeby w ogóle zrobić cokolwiek.
Od laboratorium do fabryki - daleka droga
Przez długie lata większość badań koncentrowała się na tzw. grafenie eksfoliowanym. Pierwsze płatki grafenu uzyskano odrywając z grafitu pojedynczą warstwę atomów przy pomocy taśmy klejącej. To co wystarcza naukowcom dla producentów jest jednak niczym - im potrzeba materiału łatwego w wytwarzaniu i obróbce, pewnego, zachowującego się przewidywalnie i skalowalnego.
Materiałem, w którym również upatrywano kandydata były węglowe nanorurki - rurki złożone z pojedynczej warstwy atomów węgla. Mimo zadziwiających właściwości ich praktyczne zastosowanie pozostaje żadne: trudno je wytwarzać w pożądany i przewidywalny sposób. Zajmujący się nanorurkami naukowiec Georgia Tech, Walt de Heer, uznał, że nigdy nie nadadzą się one do zastosowań przemysłowych, przynajmniej w dziedzinie elektroniki. Zauważył jednak, że skoro ich właściwości elektryczne wynikają głównie z istnienia pojedynczej warstwy atomów, praktyczniej będzie taką rurkę rozwinąć i rozpłaszczyć, czyli wyhodować na płaskiej powierzchni. Stąd wziął się pomysł, a potem technologia produkcji grafenu epitaksjalnego, czyli hodowanego na odpowiednio przygotowanej powierzchni. Technika ta pozwala na przeniesienie charakterystyki warstwy bazowej na strukturę atomową tworzonej warstwy epitaksjalnej. Materiałem bazowym jest powszechnie stosowany węglik krzemu, do którego można stosować znane już technologie wytwarzania elektroniki. Przez umiejętne podgrzewanie powoduje się migrację atomów krzemu, pozostawiając sam węgiel - czyli uzyskuje się precyzyjnie kontrolowaną warstwę grafenu. Tą metodą udało się wyprodukować siatkę składającą się z 10 tysięcy grafenowych tranzystorów na powierzchni 0,24 cm2 - to rekord, którym szczyci się Georgia Tech.
Warstwy grafenu, jakie wytwarzane są w laboratoriach, poddawane są skrupulatnym badaniom. Epitaksjalny grafen dra de Heera zachowuje się niemal doskonale tak, jak wynika z teoretycznych symulacji, pozwalając zaobserwować oczekiwane właściwości, na przykład występowanie kwantowego efektu Halla.
Obok prac nad skalowalnością procesu, równie ważne są prace nad tworzeniem struktur wielowarstwowych. Niedawno udało się wykazać, że dodawanie nowych warstw nie zakłóca właściwości warstw już istniejących. Ciekawostką jest to, że taki wielowarstwowy grafen jest czymś innym od grafitu: w graficie kolejne warstwy atomów obrócone są o 60º. W wielowarstwowym grafenie zaś o 30º - czyli jest to całkowicie nowy materiał.
Epitaksjalne wytwarzanie grafenowych warstw pozwoliło ominąć jeszcze jedną technologiczną trudność. Podczas wykorzystywania innych technologii problemem były nierówne krawędzie nanoelementów. Ponieważ właściwości grafenu mocno zależą od jego kształtu (potrafi on nawet być raz przewodnikiem a raz półprzewodnikiem), jeśli krawędzie grafenowych elementów nie były idealnie gładkie, pojawiały się niepożądane opory w przepływie prądu, upływy itp. Technologia epitaksji pozwala zachować idealne krawędzie.
Do ciekawostek należą odnalezione we współpracy z NIST (National Institute of Standards and Technology) właściwości grafenu pozwalające wpływać na jego właściwości przy pomocy precyzyjnie aplikowanych pól magnetycznych.
Grafen - Concorde elektroniki
Czy zatem grafen zastąpi krzem? Według zajmujących się nim naukowców po pierwsze nie tak szybko, po drugie nie do końca. Niekompatybilność właściwości starego i nowego materiału nie pozwoli tak po prostu przesiąść się na nowe technologie, które początkowo będą drogie. De Heer uważa, że przez długi czas krzem i grafen będą koegzystować - krzem w roli elektroniki popularnej i niedrogiej, grafen - do bezkompromisowych zastosowań, jak choćby bardzo zminiaturyzowane i szybkie układy, nie do osiągnięcia na bazie krzemu.
Posługując się analogią sądzi on, że wchodzenie nowej technologii podobne będzie do rywalizacji lotnictwa z transportem morskim i kolejowym. Rozwijające się lotnictwo pasażerskie, pomimo wysokich cen, miało chętnych, dla których była ważniejsza szybkość. Do dziś jednak, mimo spadku cen i coraz większej masowości, stare metody transportu nie zanikły i wciąż się rozwijają.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Uczeni z Rice University odkryli prosty sposób na zmuszenie węglowych nanorurek do tego, by świeciły jaśniej. Nanorurki charakteryzują się pewną naturalną fluoroscencją, jednak reakcje chemiczne zachodzące na ich powierzchni prowadzą do jej zaniku.
Bruce Weisman, pionier w badaniu spektroskopii nanorurek, odkrył, że dodanie niewielkiej ilości ozonu do nanorurek posiadających pojedynczą ściankę i wystawienie ich na działanie światła, powoduje, że atomy tlenu łączą się z nanorurkami, a fluoroscencja w bliskiej podczerwieni ulega wzmocnieniu. Odkrycie to pozwoli zastosować nanorurki w wielu dziedzinach nauki. Przydadzą się one zarówno w biologii, gdzie wzmocniona fluoroscencja pozwoli na śledzenie nanorurek wprowadzonych do komórek organizmu żywego, jak i posłużą do budowy laserów.
Weisman i jego student Saunab Ghosh odkryli, że kluczowym elementem jest oświetlenie nanorurki. Nie jesteśmy pierwszymi, którzy badają wpływ ozonu na nanorurki. Takie prace prowadzone są od lat. Jednak wcześniej uczeni mieli ciężką rękę i wystawiali nanorurki na działanie dużych ilości ozonu. Wówczas jednak dochodzi do zniszczenia użytecznych właściwości optycznych nanorurek, ich fluoroscencja zostaje całkowicie wyłączona. My postanowiliśmy dodać zaledwie 1 atom tlenu na 2-3 tysiące atomów węgla. To bardzo mało - mówi Weisman.
Metoda Weismana i Ghosha jest banalnie prosta. Uczeni zanurzyli nanorurki w wodzie, dodali do niej rozpuszczony ozon i całość oświetlili. Do przeprowadzenia użytecznej reakcji wystarczy nawet światło zwykłej lampki biurowej. W ten sposób powstały nanorurki wzbogacone tlenem, w których zdecydowana większość powierzchni pozostaje w stanie niezmienionym. Nanorurki absorbują zatem światło podczerwone, tworząc ekscytony, kwazicząsteczki mające tendencję do samoistnego przeskakiwania po nanorurkach. Przeskakują tak długo, aż napotkają atom tlenu.
W czasie swojego życia ekscyton może odwiedzić dziesiątki tysięcy atomów węgla. Nasz pomysł wykorzystuje ten fakt, gdyż założyliśmy, że ekscyton będzie skakał wystarczająco długo, by napotkać miejsce wzbogacone tlenem. A gdy do tego dojdzie, ekscyton w nim pozostanie, gdyż jest to miejsce energetycznie stabilne. Tlen więzi ekscyton, co prowadzi do emisji fali światło o większej długości światła niż w naturalnej fluoroscencji nanorurek. Mówiąc wprost - większa część nanorurek działa jak antena absorbująca energię i kierująca ją do miejsc wzbogaconych tlenem. Możemy stworzyć nanorurki, w których 80-90% emisji pochodzi z miejsc wzbogaconych - stwierdził Weisman.
Testy laboratoryjne wykazały, że tak spreparowane nanorurki utrzymują swoje nowe właściwości przez wiele miesięcy.
Weisman zaznacza, że dzięki temu odkryciu, nanorurki można wykrywać światłem niedostrzegalnym dla człowieka. Dlaczego jest to ważne? Ponieważ w wykorzystywanych w biologii systemach wykrywania, za każdym razem gdy posłużymy się światłem widzialnym uzyskamy nieco emisji z tła, z komórek i tkanek, co zaciemnia cały obraz. Korzystając z podczerwieni nie mamy tego problemu - wyjaśnia.
Naukowcy przeprowadzili już odpowiednie testy dodając nanorurki do kultur ludzkich komórek. Po zastosowaniu podczerwieni nanorurki emitowały jasne światło i były łatwo dostrzegalne. Przy świetle widzialnym znacznie trudniej było określić miejsce, w którym się znajdują.
http://www.youtube.com/watch?v=iVM_5ktGtnw -
przez KopalniaWiedzy.pl
Badacze z Rice University poinformowali o opracowaniiu nowej metody produkcji grafenu z bogatych w węgiel substancji, takich jak np. cukier. Opracowali oni jednoprzebiegowy proces odbywający się w niższej niż dotychczas temperaturze, co ułatwia cały proces produkcyjny.
Chemik James Tour i jego zespół twierdzą, że duże płachty grafenu wysokiej jakości mogą być tworzone w temperaturze już 800 stopni Celsjusza z wielu źródeł zawierających węgiel. Dotychczas do ich powstania wymagana była temperatura rzędu 1000 stopni. Przy 800 stopniach krzemowe podłoże [na którym powstaje grafen - red.] pozostaje przydatne w elektronice, podczas gdy w 1000 stopni traci ono ważne domieszki - mówi Tour.
Autorem odkrycia jest student Toura, Zhengzong Sun, który zauważył, że nałożenie zawierających w węgiel substancji na podłoże bogate w miedź czy nikiel pozwala produkować jedno-, dwu- i wielowarstwowe płachty grafenu. Proces taki nadaje się też do tworzenia grafenu wzbogacanego domieszkami, co umożliwia manipulowanie jego elektronicznymi i optycznymi właścicielami.
Najpierw Sun nałożył na miedziane podłoże szkło akrylowe (pleksiglas - PMMA). Po podgrzaniu w warunkach niskiego ciśnienia i obecności wodoru i argonu z PMMA pozostał czysty węgiel ułożony w jednoatomową warstwę. Okazało się również, że manipulując przepływem gazów można kontrolować grubość grafenu uzyskiwanego z PMMA.
Później student wraz z kolegami spróbował tego samego z wykorzystaniem... cukru. Miedzianą folę pokrył centymetrem kwadratowym cukru i poddał całość takiemu samemu procesowi, któremu poddawał PMMA. Spodziewał się, że uzyskany w ten sposób grafen będzie pełen defektów ze względu na strukturę substancji. Okazało się jednak, że defektów jest na tyle mało, iż materiał może zostać w praktyce wykorzystany.
Procesu takiego nie udało się natomiast przeprowadzić w sytuacji, gdy podłożem dla materiału z węglem był krzem lub tlenek krzemu. Jednak możliwe jest uzyskanie grafenu, jeśli krzem zostanie najpierw pokryty warstwą miedzi lub niklu.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Gruźlica, w krajach rozwiniętych niemal zapomniana, w ubogich rejonach Azji czy Afryki wciąż zabija, Według Światowej Organizacji Zdrowia umiera na nią około 1,3 miliona osób rocznie. Wszystko przez brak środków finansowych na leczenie i diagnostykę. Problem diagnostyki być może niedługo znacznie się rozwiąże, dzięki pomysłowemu inżynierowi z amerykańskiego Uniwersytetu Rice'a.
Komercyjny, laboratoryjny mikroskop fluorescencyjny pozwalający identyfikować prątki gruźlicy w wymazach kosztuje 40 tysięcy dolarów. Andrew Miller, obecnie absolwent Uniwersytetu Rice'a jest konstruktorem taniej, przenośnej wersji. Jego dzieło waży zaledwie około 1,25 kilograma i jest zasilane z baterii. Wykorzystał przy tym elementy dostępne w sklepach, na przykład źródłem światła jest latarka z diodami LED. Obudowa prototypu powstała na drukarce 3D, jakiej często używają majsterkowicze, kolejne egzemplarze zyskały obudowę z aluminium. Całość kosztowała zaledwie 240$ - niemal 200 razy taniej.
Przy współpracy naukowców z Instytutu Badawczego Szpitala Metodystów (The Methodist Hospital Research Institute, TMHRI) przetestowano skuteczność przenośnego mikroskopu na próbkach 63, w tym 19 pobranych od chorych. Skuteczność wyniosła 98,4% i była równie dobra, jak tradycyjnego, stacjonarnego mikroskopu.
Wynalazek, nazwany Global Focus zdobył doroczną nagrodę Hershel M. Rich Invention Award za 2009 rok, przyznawaną dla najlepszego wynalazku skonstruowanego na Uniwersytecie Rice'a. Po raz pierwszy w historii nagrodę tę zdobył projekt studenta.
Dzieło Andrew Millera ma szansę zrewolucjonizować leczenie gruźlicy w rejonach, których nie stać na drogi sprzęt laboratoryjny i w których często nie ma nawet prądu. Obecnie trwają prace nad komercjalizacją wynalazku. Dwadzieścia testowych egzemplarzy wykonanych przy współpracy firmy 3rd Stone Design zostanie teraz poddanych próbom „terenowym".
Inny studencki zespół tego samego uniwersytetu pracuje nad oprogramowaniem pomagającym mniej doświadczonym laborantom poprawnie interpretować wyniki rozmazów na obecność prątków gruźlicy. Program wykorzystujący przetwarzanie obrazu ma działać na urządzeniach przenośnych, jak smartfony.
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.