Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Grafenowa elektronika: od laboratorium do fabryki

Recommended Posts

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.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Odkrycie dokonane przez uczonych z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB) daje nadzieję na wykorzystanie węgliku krzemu - materiału powszechnie używanego w elektronice - do stworzenia urządzeń obliczeniowych opierających się na mechanice kwantowej.
      Grupa pracująca pod kierunkiem Davida Awschaloma odkryła, że niedoskonałości w sieci krystalicznej węglika krzemu mogą być kontrolowane na poziomie kwantowym. Zwykle defekty w sieci krystalicznej są postrzegane jako niepożądane. W tradycyjnej elektronice takie niedoskonałości powodują spowolnienie pracy układu, gdyż elektrony zostają przez nie uwięzione.
      Naukowcy z UCSB odkryli, że sposób, w jaki elektrony zostały uwięzione pozwala na zainicjalizowanie stanów kwantowych, ich precyzyjną manipulację oraz pomiar. Operacje takie można przeprowadzić za pomocą światła i mikrofal. Zatem każdy z defektów spełnia wymogi stawiane przed qubitem.
      Szukamy piękna i możliwości wykorzystania niedoskonałości, zamiast starać się osiągnąć doskonałość. Używamy tych niedoskonałości jako podstawy dla przyszłej technologii kwantowej - powiedział Awschalom.
      Uczony wyjaśnia, że większość niedoskonałości w sieci krystalicznej nie posiada tak pożądanych cech, jakie odkryto w węgliku krzemu. Dotychczas znano tylko jeden typ takich niedoskonałości - występujący w diamencie ubytek dwóch atomów węgla i zastąpienia ich jednym atomem azotu. Miejsce po drugim atomie węgla pozostaje puste i ma ono takie właściwości, które pozwala wykorzystać je do zapisu kwantowych informacji w temperaturze pokojowej. Diament jest jednak materiałem, który trudno jest pozyskać i zintegrować z elektroniką.
      Tymczasem węglik krzemu jest materiałem dobrze znanym w przemyśle elektronicznym, a badania Awschaloma i jego zespoły wykazały, że dwa spośród licznych typów niedoskonałości pozwalają na uzyskanie efektów kwantowych w temperaturze pokojowej.
      Nie można wykluczyć, że podobnymi właściwościami charakteryzują się też inne materiały. Dotychczas bowiem nie zajęto się dokładnym zbadaniem niedoskonałości wielu z nich.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na Georgia Institute of Technology powstała technika tworzenia wysokiej jakości warstw epitaksjalnego grafenu na plastrach węgliku krzemu. Nowa technika polega na ścisłym kontrolowaniu ciśnienia gazowego krzemu.
      Obecnie uzyskuje się cienkie warstwy grafenu na węgliku krzemu w warunkach próżni, w temperaturze około 1500 stopni Celsjusza. To powoduje odparowanie krzemu i pojawienie się warstwy węgla. Jednak niekontrolowane parowanie prowadzi do uzyskania grafenu niskiej jakości.
      Precyzyjnie kontrolując tempo uwalniania się krzemu z plastra możemy kontrolować tempo produkcji grafenu. To pozwala nam na uzyskanie bardzo ładnych warstw epitaksjalnego grafenu - powiedział wynalazca nowej techniki, profesor Walt de Heer.
      Uczony wraz z zespołem rozpoczęli od umieszczenia plastra węgliku krzemu w grafitowym opakowaniu. Znajduje się w nim niewielki otwór, który pozwala na kontrolowanie tempa parowania krzemu, utrzymując parowanie i kondensację mniej więcej w równowadze. Wzrost epitaksjalnego grafenu jest możliwy albo w próżni, albo w obecności obojętnego gazu, takiego jak argon.
      Epitaksjalny grafen może stać się bazą dla nowej generacji wysoko wydajnych urządzeń tam, gdzie ich wyjątkowa wydajność usprawiedliwia wysoki koszt. Zdaniem de Heera w tańszych, mniej wydajnych urządzeniach nadal będzie dominował krzem.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na Georgia Institute of Technology powstała nowa technika uzyskiwania nanowstążek epitaksjalnego grafenu, dzięki której otrzymano struktury o szerokości 15-40 nanometrów przewodzące prąd niemal bez żadnego oporu. To pozwoli na łączenie grafenowych urządzeń z obecnie stosowanymi architekturami.
      Możemy teraz tworzyć bardzo wąskie, przewodzące nanowstążki, które wykazują właściwości przewodnictwa balistycznego. Te wąskie wstążki są niemal jak idealne metale. Elektrony poruszają się w nich bez rozpraszania, jak w węglowych nanorurkach - mówi profesor Walt de Heer.
      Nowa technika pozwala na otrzymanie epitaksjalnego grafenu o gładkich brzegach. Dotychczas uzyskiwano grafenowe wstążki o nierównych brzegach, co prowadziło do rozpraszania elektronów i interferencji. To z kolei powodowało, że ich właściwości były bliższe izolatorom niż przewodnikom.
      Wyeliminowaliśmy brzegi, które uniemożliwiały otrzymanie grafenu o pożądanych właściwościach. Brzegi w epitaksjalnym grafenie łączą się z węglikiem krzemu i otrzymujemy ciekawe wyniki - dodaje de Heer.
      Jego zespół najpierw na podłożu z węgliku krzemu umieścił maskę z wzorem, według którego miał się odbywać wzrost grafenu. W samym węgliku wyryto też kontury wzdłuż brzegów wzoru. Gdy taki plaster podgrzano do temperatury około 1500 stopni Celsjusza, rozpoczął się proces topnienia, który wyrównał i wypolerował nierówności w konturach. Następnie na tak przygotowanym podłożu rozpoczęto proces wzrostu grafenu poprzez usunięcie atomów krzemu z węgliku.
      Szerokość uzyskanych nanowstążek jest proporcjonalna do głębokości wyrytych konturów, co daje możliwość precyzyjnego kontrolowania ich rozmiarów. W celu uzyskania złożonych struktur wystarczy przeprowadzić wieloetapowy proces tworzenia konturów.
      Ta technika pozwala nam uniknąć skomplikowanej litografii strumieniem elektronów, którą obecnie stosuje się celem uzyskania epitaksjalnego grafenu. Uzyskany materiał ma bardzo dobre właściwości i może być używany w elektronice - zapewnia de Heer. Uczony już od kilku miesięcy udoskonala wspominaną technikę i nie wyklucza, że wkrótce uda się wyprodukować nanowstążki o szerokości mniejszej niż 10 nanometrów.
      Naukowiec przypomina, że jego zespół od dawna pracuje nad grafenową elektroniką i posiada patenty na różne techniki uzyskiwania epitaksjalnego grafenu. To oznacza, że sposób w jaki chcemy produkować grafenową elektronikę będzie inny od tradycyjnego. Nie będziemy naśladowali standardowego modelu tranzystora polowego, ale pracujemy nad urządzeniami wykorzystującymi balistyczne przewodniki i interferencję kwantową. Naszym celem jest wykorzystanie w grafenie efektu fali elektronowej - dodaje.
      Jeśli uda się taki efekt uzyskać, to manipulowanie elektronami w urządzeniach elektronicznych będzie odbywało się za pomocą technik podobnych do używanych w optyce. Na przykład przełączanie będzie można uzyskać za pomocą interferencji strumieni elektronów.
      Zespół profesora de Heera chce w ciągu najbliższych 12 miesięcy skonstruować prototypowy przełącznik wykorzystujący zjawisko interferencji kwantowej.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Uczeni z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) znaleźli sposób na znaczące udoskonalenie transmisyjnych elektroskopów elektronowych. Tego typu mikroskop rejestruje elektrony przechodzące przez próbkę. Ta z kolei musi mieć grubość mniejszą niż 0,1 mikrometra, co bardzo ogranicza zastosowanie mikroskopu.
      Eksperci z NIST przepuścili elektrony przez nanometrowej wielkości kratownicę. To spowodowało, że fale elektronowe przybrały kształt korkociągów i utrzymywały go w wolnej przestrzeni.
      Zjawisko takie pozwala mieć nadzieję na zbudowanie w niedalekiej przyszłości transmisyjnego mikroskopu elektronowego o rozdzielczości lepszej od mikroskopów optycznych, który ponadto będzie pracował z większą liczbą materiałów niż dotychczas. Spiralny kształt i moment kątowy elektronów pozwoli nam na pracę z różnymi materiałami, które dotychczas były niedostępne dla użytkowników transmisyjnych mikroskopów elektronowych. Wyposażenie mikroskopu w nanokratownicę podobną do tej, jakiej użyliśmy w naszym eksperymencie, pozwala na dramatyczne zwiększenie możliwości urządzenia tanim kosztem - mówi Ben McMorran, jeden z autorów badań.
      Eksperyment NIST nie jest pierwszym doświadczeniem tego typu, ale dał on najlepsze rezultaty. Kratownica jest znacznie mniejsza niż inne używane urządzenia, znacznie lepiej rozdziela fale elektronowe i nadaje elektronom 100-krotnie większy moment.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Świat zwierzęcy bardzo różni się sposobem odżywiania. Ssaki, do których należymy, bywają mięsożerne, roślinożerne lub wszystkożerne. Nawet u naszych najbliższych krewnych - naczelnych - sprawy mają się różnie. Tym trudniej orzec o sposobie odżywania ssaków już wymarłych. In dalej w przeszłość, tym trudniej, a z oczywistych powodów uczonych to bardzo interesuje. Naukowcy z Tel Avivu pracowali metodę pozwalającą na bardzo łatwą, szybką i pewną ocenę diety wymarłych ssaków na podstawie ich skamieniałości. Wystarcza im do tego... ząb.
      Autorem metody jest prof. Herzl Chai, wykładowca inżynierii mechanicznej na Tel Aviv University, współpracowali z nim amerykańscy naukowcy z George Washington University oraz U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST).
      Metoda opiera się na analizie odprysków na szkliwie zęba, które zależą od struktury (rodzaju) i wielkości pokarmu oraz siły, z jaką zwierzę potrafi zacisnąć szczęki. To ostatnie również wyliczają z analizy śladów na szkliwie, co jest dużym osiągnięciem, ponieważ do tej pory do oceny siły zgryzu uczeni potrzebowali zachowanej całej czaszki. Od teraz wystarczy nawet jeden ząb, a ponieważ zęby są jedną z najlepiej zachowujących się pozostałości po wymarłych zwierzętach, trudno wręcz o metodę bardziej pożądaną.
      Opracowane równanie bierze pod uwagę wielkość zęba, grubość szkliwa, wielkość i głębokość rys, itd. - wiążąc wszystko w jedną całość. Metodę sprawdzono, oceniając zęby wielu obecnie żyjących gatunków zwierząt, wliczając to małpy człekokształtne.
      Naukowcy najbardziej cieszą się na możliwość określenia diety najwcześniejszych przodków człowieka, czyli pierwszych ssaków.
×
×
  • Create New...