Grafenowa elektronika: od laboratorium do fabryki

[KopalniaWiedzy.pl 355]

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.